CN203037265U - 一种温度补偿电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种温度补偿电路，包括测温电路、处理电路以及滤波电路；其中，测温电路通过处理电路与滤波电路相连；测温电路为热敏电阻以及可调电阻构成电桥电路，用于感测温度并采集数据；处理电路为差分运算放大电路，用于对采集的数据处理并对传感器原有电流进行补偿；滤波电路用于对补偿后的电路进行滤波。本温度补偿电路为电流补偿，在采样电阻之前就对传感器输出进行了补偿，且该输出信号不受负载电阻的影响，抗干扰能力强，补偿范围大。

Description

一种温度补偿电路

技术领域

本实用新型涉及一种温度补偿电路，尤其涉及一种用于传感器或传感系统的温度补偿电路，属于传感器电路技术领域。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，传感器的应用已经遍布各个领域，例如军事、交通、化学、环保、能源、海洋开发、航天建设等。在这些领域获取控制信息，都要通过传感器对各种信息进行采集检测，再进行相应的处理操作。

传感器的广泛应用，使得对其测量的精度要求越来越高。但大多数传感器敏感元器件的材料特性都与环境温度有着密切的联系。在实际工作时，常常由于外界环境温度变化范围较大，造成传感器的灵敏度下降，同时给测量与检测结果带来较大的误差。在一些对于测量精度要求非常高的领域，这些误差对于整个传感系统可能是致命的。所以采取措施以减少和消除温度变化带来的影响是很有必要的。

现有技术中，用于传感器的温度补偿电路大都采用电压补偿电路。但采用电压补偿方式，传输距离比较短，并且容易引进干扰，使得补偿的精度不准确。例如，申请号为02117270.6的中国发明申请中，公开一种用于气敏传感器的温度补偿电路。该温度补偿电路中，第一分压电阻与第二分压电阻串联，热敏电阻与第一电阻并联；第二分压电阻接恒压，以第一分压电阻与第二分压电阻串联的整体电压作气敏传感器的加热电压，或第一分压电阻与第二分压电阻串联的整体接恒压，第一分压电阻的电压作为气敏传感器的加热电压。通过该温度补偿电路，对传感器的加热电压进行温度补偿，使得传感器的敏感元件的工作温度始终保持恒温状态，从而保证了传感器的温度特性。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种温度补偿电路。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种温度补偿电路，包括测温电路、处理电路以及滤波电路；

所述测温电路通过所述处理电路与所述滤波电路相连；

所述测温电路为热敏电阻以及可调电阻构成的电桥电路，用于感测温度并采集数据；

所述处理电路为差分运算放大电路，用于对采集的数据处理并对传感器原有电流进行补偿；

所述滤波电路用于对补偿后的电路进行滤波。

其中较优地，所述测温电路为热敏电阻、第一电阻、第二电阻和第三电阻组成的电桥电路；

所述第一电阻与所述第三电阻串联为所述电桥电路的一臂，所述第二电阻与所述热敏电阻串联为所述电桥电路另一臂；

所述第二电阻与所述第三电阻另一端相连并接电源；

所述第一电阻与所述热敏电阻的另一端相连并接地；

两个电压输出端分别位于所述第一电阻、所述第三电阻之间和所述第二电阻、所述热敏电阻之间。

其中较优地，所述测温电路输出端通过电压跟随器与所述处理电路相连接。

其中较优地，所述处理电路为差分运算放大电路，包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、采样电阻以及运算放大器；

所述第四电阻、所述第五电阻的一端分别连接所述测温电路的输出端，另一端分别连接所述运算放大器的反相输入端、同相输入端；

所述运算放大器的反相输入端、输出端之间接所述第七电阻；

所述运算放大器的输出端还接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端分别与传感器原有的电流输出端、所述采样电阻、所述滤波电路的输入端、第六电阻一端连接；

所述采样电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端接所述运算放大器的同相输入。

其中较优地，所述第四电阻、所述第五电阻、所述第六电阻以及所述第七电阻为等值电阻。

其中较优地，所述滤波电路是二阶有源RC低通滤波电路，包括第十电阻、第九电阻、第一电容以及第二电容；

所述第十电阻一端与处理电路的输出端相连接，另一端分别与所述第九电阻、所述第二电容相连接；

所述第九电阻的另一端作为滤波电路输出端，并通过所述第一电容接地；

所述第二电容另一端接所述滤波电路的输出端。

其中较优地，所述滤波电路是一阶有源RC低通滤波电路。

本实用新型提供的温度补偿电路采用电流补偿方式，在采样电阻之前就对传感器输出进行了补偿，且该输出信号不受负载电阻的影响，抗干扰能力强，补偿范围可达到－40℃～+125℃。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例的电路原理图；

图2为本实用新型的第二实施例的电路原理图；

图3为本实用新型的第三实施例的电路原理图；

图4为传感系统中补偿电流随温度变化的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。本实用新型所提供的温度补偿电路可以对传感器或传感系统进行温度补偿。该温度补偿电路包括测温电路、处理电路以及滤波电路。其中，测温电路由热敏电阻以及可调电阻构成电桥电路，用于感测温度并采集数据；处理电路由电阻以及运算放大器构成，用于对测温电路采集的数据处理，并对传感器原有电流进行补偿；滤波电路用于对处理电路补偿后的电路进行滤波。

测温电路采用热敏电阻构成电桥电路，为温度采集端。如图1所示，该电路由一个热敏电阻，三个可调电阻组成；其中，电阻R1、与电阻R3串联构成基准电压电路。电阻R2与热敏电阻PT1串联构成温度电压电路。电阻R2、R3的另一端相连并接电源+VCC，电阻R1与PT1的另一端相连并接地。测温电路的基准电压输出端、温度电压输出端分别连接在电阻R1、R3之间和电阻R2、PT1之间。基准电压输出端、温度电压输出端接处理电路。

如图1所示，测温电路与处理电路连接方式分为负温系接法和正温系接法：负温系接法为基准电压输出端接处理电路的反相通路（即图1中A点代表反相通路），温度电压输出端接同相通路（即图1中B点代表同相通路）；正温系接法则相反。在本实施例中，测温电路与处理电路之间连接均采用负温系接法。为了起到隔离作用，基准电压输出端、温度电压输出端可以通过电压跟随器接处理电路。本实施例中，温度电压输出端通过电压跟随器与处理电路连接，而基准电压输出端直接与处理电路相连。测温电路中可调电阻阻值的选取在后文有相关说明。

本温度补偿电路中的处理电路为差分运算放大电路。如图1所示，该电路包括6个定值电阻R4、R5、R6、R7、R8、RL1以及运算放大器组成。运算放大器采用集成电路芯片OP4177。其中，电阻R4、R5的一端分别连接测温电路的输出端，另一端分别连接运算放大器的反相输入端、同相输入端。运算放大器的反相输入端与输出端之间接电阻R7。运算放大器的输出端同时接电阻R8一端。电阻R8的另一端分别连接传感器原有的电流输出端、采样电阻RL1、滤波电路的输入端及电阻R6。电阻R6的另一端接运算放大器的同相输入端。采样电阻RL1的另一端接地。为了起到隔离作用，电阻R8优选通过电压跟随器与电阻R6相连接。其中电阻R4、R5、R6、R7为等值电阻，电阻RL1为采样电阻。电阻R8的取值后文有相关说明。

对于滤波电路，可以采用二阶有源RC低通滤波电路或是一阶有源RC低通滤波电路。在第一实施例中，滤波电路优选采用二阶有源RC低通滤波电路，该电路包括2个电阻R9、R10和2个电容C1、C2。其中，电阻R10一端与处理电路的输出端相连接，另一端分别与电阻R9、电容C2相连接。电阻R9的另一端作为滤波电路的输出端，并通过电容C1接地。电容C2的另一端接滤波电路的输出端。

图2显示了本实用新型的第二实施例。与第一实施例不同的是滤波电路采用一阶有源RC低通滤波电路，包括电阻R9和电容C1。其中，电阻R9的一端接处理电路的输出端，另一端通过作为滤波电路输出端，并通过电容C1接地。为了起到隔离作用，电阻R9的另一端优选连接电压跟随器作为滤波电路的输出端，并通过电容接地。

图3为第三实施例的电路原理图。与第一实施例不同的是，测温电路的基准电压输出端与温度电压输出端均通过电压跟随器与处理电路相连接。滤波电路采用的是一阶有源RC低通滤波电路，包括电阻R9和电容R1,电阻R9的一端接处理电路的输出端，并通过电容C2接地，另一端作为滤波电路的最终输出端。

下面对本实用新型的温度补偿原理进行详细阐述。电阻R1、R2、R3及PT1构成电桥电路，其中电阻R1、R3构成电桥电路的一臂。在电源供电为＋VCC时，则基准电压输出值通过以下公式计算：

$\mathrm{Vc}=\frac{R_1\×\mathrm{Vcc}}{R_1+R_3}---\left(1\right)$

其中，V_c表示基准电压输出，R1、R3表示电阻R1、R3的阻值，

调节电阻R1与电阻R3的比值即可获得基准电压，而基准电压值的选取又依靠于选取的基准温度点。对于选取基准温度点取决于电路温度稳定性最高的温度点（常温或其他温度点）。下面以选取55℃作为基准温度点，然后利用热敏PT1（在此用铂电阻实现）的阻值与温度关系式计算出55℃时实际电阻值，铂电阻的选取根据具体实施，本次选取的为PT100，R0为铂电阻的阻值。

铂电阻阻值表达式：Ro＝0.3851T+100                （2）

铂电阻与电阻R2构成电桥电路的另一臂，温度电压输出值通过以下公式计算：

$\mathrm{Vt}=\frac{\mathrm{Ro}\×\mathrm{VCC}}{\mathrm{Ro}+R_2}---\left(3\right)$

其中，V_c表示温度电压输出，R0、R2表示电阻R0、R2的阻值。

V_t会随着温度的上升而增加，在选取的基准温度下V_c为固定值，这时，调节

的值使电桥电路达到平衡，记录电阻R1与电阻R3的阻值，电阻R2阻值的选取将在下面的内容中介绍。

将V_c与V_t分别通过电压跟随器后接入差分放大电路的两个输入端，可根据系统或电路选择正温系或负温系选择接法，若是负温系选择接法则如图1所示连接，若是正温系选择接法则反向连接即可，以负温系为例讲解具体补偿过程。

由运算放大器虚断可知：

$\frac{\mathrm{Vt}-\mathrm{Vp}}{R_5}=\frac{\mathrm{Vp}-{\mathrm{Vo}}_2}{R_6}---\left(4\right)$

$\frac{\mathrm{Vn}-\mathrm{Vc}}{R_4}=\frac{{\mathrm{Vo}}_1-\mathrm{Vn}}{R_7}---\left(5\right)$

由运算放大器虚短可知：

Vn＝Vp                               （6）

令R4＝R5＝R6＝R7，则：

Vo1-Vo2＝Vt-Vc＝ΔV                  （7）

$\mathrm{Io}=\frac{\mathrm{Vt}-\mathrm{Vc}}{R_8}=\frac{\mathrm{\ΔV}}{R_8}---\left(8\right)$

则ΔV＝Io×R8                       （9）

其中，Vp表示运算放大器同相输入端电压值；V₀2表示电阻R6与电阻R8连接处电压值；Vn表示运算放大器反相输入端电压值；V₀1为运算放大器输出端电压值，ΔV为电压变化值；R4、R5、R6、R7表示电阻阻值。

又因为补偿电流需满足传感系统所需补偿量，故应满足传感系统补偿电压随温度变化曲线图。如图4所示，通过曲线图计算出电流随温度变化的表达式（近似线性）：

补偿电流公式：Io＝0.001T-0.004                       （10）

温度变化引起的电压差：

$\mathrm{\ΔV}=\mathrm{Vt}-\mathrm{Vc}=(\frac{\mathrm{Ro}}{\mathrm{Ro}+R_2}-\frac{R_1}{R_1+R_3})\×\mathrm{VCC}---\left(11\right)$

电阻R2及R8的阻值的选取按代入法计算，选取多个固定温度点代入式（1）及式（9）中，并联立式（9）、式（11）解得的多组解，选取最接近实际的两个值作为电阻R2及R8的阻值。

将补偿电流Io与传感器或电路输出电流Ib相加即可得到最后输出电流，该输出电流通过一个精密采样电阻后转化为电压量，对电压量进行滤波，可以采用RC滤波或有源滤波，保证能达到设计要求的前提下，采用RC滤波进行滤波，对于截止频率的选择需要根据系统或电路具体要求而定。本实施例中设计采用的截止频率为160HZ，根据下面公式可以计算所需电阻与电容。

一阶RC滤波电路的截止频率计算公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\πRC}}---\left(12\right)$

其中，f表示截止频率，R表示电阻阻值，C表示电容值。

本实用新型所提供的温度补偿电路是基于温度变化的电流补偿，区别于已有的电压补偿。优点在于大部分的传感器或系统为电流输出，使得信号传输过程中增强了抗干扰性，延长了传输距离，最后通过采样电阻转换成电压送入单片机进行运算或处理。由于该温度补偿电路是电流补偿，在采样之前就对传感器输出进行了补偿，使输出信号更精确，且该输出信号不受负载电阻的影响。

需要说明的是，上述的测温电路、处理电路以及滤波电路都可以通过现有的集成电路芯片实现，并非局限于实施例中所选用的芯片型号，本领域的一般技术人员可依据实际应用环境进行更改。

上面对本实用新型所提供的温度补偿电路进行了详细的说明。但对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (7)

1.一种温度补偿电路，其特征在于：

所述温度补偿电路包括测温电路、处理电路以及滤波电路；

所述测温电路通过所述处理电路与所述滤波电路相连；

所述测温电路为热敏电阻以及可调电阻构成的电桥电路，用于感测温度并采集数据；

所述处理电路为差分运算放大电路，用于对采集的数据处理并对传感器原有电流进行补偿；

所述滤波电路用于对补偿后的电路进行滤波。

2.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于：

所述测温电路为热敏电阻、第一电阻、第二电阻和第三电阻组成的电桥电路；

所述第一电阻与所述第三电阻串联为所述电桥电路的一臂，所述第二电阻与所述热敏电阻串联为所述电桥电路另一臂；

所述第二电阻与所述第三电阻另一端相连并接电源；

所述第一电阻与所述热敏电阻的另一端相连并接地；

两个电压输出端分别位于所述第一电阻、所述第三电阻之间和所述第二电阻、所述热敏电阻之间。

3.如权利要求2所述的温度补偿电路，其特征在于：

所述测温电路输出端通过电压跟随器与所述处理电路相连接。

4.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于，

所述处理电路为差分运算放大电路，包括：第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、采样电阻以及运算放大器；

所述第四电阻、所述第五电阻一端分别连接所述测温电路的输出端，另一端分别连接所述运算放大器的反相输入端、同相输入端；

所述运算放大器的反相输入端、输出端之间接所述第七电阻；

所述运算放大器的输出端还连接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端分别与传感器原有的电流输出端、所述采样电阻、所述滤波电路的输入端、第六电阻一端连接；

所述采样电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端接所述运算放大器的同相输入。

5.如权利要求4所述的温度补偿电路，其特征在于：

所述第四电阻、所述第五电阻、所述第六电阻以及所述第七电阻为等值电阻。

6.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于：

所述滤波电路是二阶有源RC低通滤波电路，包括第十电阻、第九电阻、第一电容以及第二电容；

所述第十电阻一端与处理电路的输出端相连接，另一端分别与所述第九电阻、所述第二电容相连接；

所述第九电阻的另一端作为滤波电路输出端，并通过所述第一电容接地；

所述第二电容另一端连接所述滤波电路的输出端。

7.如权利要求1所述的温度补偿电路，其特征在于：

所述滤波电路是一阶有源RC低通滤波电路。

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