CN204988567U - 一种单晶硅式压力变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单晶硅式压力变送器，包括压力传感器、信号滤波单元、集成芯片和三极管；所述压力传感器通过所述信号滤波单元与集成芯片连接，且压力传感器受到压力后传送模拟电压信号到信号滤波单元；所述信号滤波单元对该模拟电压信号进行滤波后传送到集成芯片；所述集成芯片将该模拟电压信号转换成模拟电流信号，并通过所述三极管调整输出与压力传感器受到的压力值相对应的电流。本实用新型通过对所述集成芯片进行简单的配置即可实现对压力传感器传送的电压信号进行处理，操作简单，使用方便；本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间，缩短了生产周期，也大大节省了成本。

Description

一种单晶硅式压力变送器

技术领域

本实用新型涉及变换器领域，尤其涉及一种单晶硅式压力变送器。

背景技术

压力变送器作为一种工业上常用的变换器，广泛应用于水利水电、生产自控、电力等领域。单晶硅式压力变送器因其测量精度高、稳定性好而受到越来越多的应用。请参阅图1，其是现有单晶硅式压力变送器的工作框图。现有单晶硅式压力变送器包括依次串接的传感器11、模数转换器12、微处理器13、数模转换器14和电流环路变换器15。

将单晶硅式压力变送器放置在工作环境中，接通电源，当单晶硅式压力变送器的传感器11受到压力后，将产生模拟电压信号并传送到所述模数转换器12；所述模数转换器12将模拟电压信号转换成数字电压信号后传送到所述微处理器13；所述微处理器13对该数字电压信号进行线性处理和温度补偿处理后传送到所述数模转换器14；所述数模转换器14将该数字电压信号转换转成模拟电压信号后，通过所述电流环路变换器15输出电流；同时，在所述电流环路变换器15的输出端串联一电流采样电阻，在电流采样电阻上并联一万用表，读出该万用表的示值，并经过简单计算即可获得电流环路变换器15输出电流的大小。由于，所述传感器11受到的压力与电流环路变送器输出的电流是呈一定的线性关系的，通过对获得的电流环路变换器15的输出电流进行一定的计算，即可获得所述传感器11受到的压力大小。

但是，现有的单晶硅式压力变送器的数模转换器、微处理器、模数转换器和电流环路变换器都是相互独立的部件，生产单晶硅式压力变送器时，需要分别单独购买数模转换器、微处理器、模数转换器和电流环路变换器等各个部件，再将这各个单独的部件加工在电路板上。而数模转换器、微处理器、模数转换器和电流环路变换器这些部件的费用都是比较贵的，批量生产时，会增加生产成本。同时，购买的各个部件需要分别进行贴片，也会大大延长生产周期。另外，将各个单独的部件加工在电路板上时，由于各个电子部件的体积比较大，也会占用电路板大量面积面积，增加电路板制作成本。

实用新型内容

本实用新型在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种节省成本、节省贴片时间、使用方便的单晶硅式压力变送器。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种单晶硅式压力变送器，包括压力传感器、信号滤波单元、集成芯片和三极管；所述压力传感器通过所述信号滤波单元与所述集成芯片连接，且所述压力传感器受到压力后传送与所受压力相对应的模拟电压信号到所述信号滤波单元；所述信号滤波单元对该模拟电压信号进行滤波后传送到所述集成芯片；所述集成芯片与外界电源电连接；所述集成芯片包括压力增益单元、压力信号模数转换单元、压力信号滤波单元、线性补偿单元、数模转换单元和电流环路变换单元；从所述信号滤波单元传送的模拟电压信号通过所述压力增益单元扩大后，传送到所述压力信号模数转换单元；所述压力信号模数转换单元将该模拟电压信号转换成数字电压信号，并通过所述压力信号信号滤波单元的滤波处理后传送到所述线性补偿单元；所述线性补偿单元将所述数字电压信号后传送到所述数模转换单元；所述数模转换单元将该数字电压信号转换成模拟电压信号后传送到所述电流环路变换单元；所述电流环路变换单元将该模拟电压信号转换成模拟电流信号，并通过所述三极管调整输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流。

相比于现有技术，本实用新型通过对所述集成芯片进行简单的配置即可实现对压力传感器传送的电压信号进行处理，并输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流，操作简单，使用方便；并且相比于现有技术需购买多个部件并将多个部件进行贴片的方式，本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间，缩短了生产周期，也大大节省了成本。

进一步地，所述集成芯片的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP与外界电源的正负极相接，由外界电源向所述集成芯片供电；且所述集成芯片内的电流环路变换单元分别通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD、信号输出端VOUT和信号输出补偿端COMP与所述三极管的集电极、基极和发射极连接，由电源正极输入端VDD、信号输出端VOUT和信号输出补偿端COMP输出经集成芯片处理后的信号。

进一步地，所述集成芯片还包括存储单元和信号收发单元；所述线性补偿单元也将数字电压信号存储到所述存储单元；所述信号收发单元读取存储单元内的数字电压信号并通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD传送到外界的PC上位机；外界的PC上位机根据该数字信号获得线性参数，并通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD传送到所述信号收发单元；所述信号收发单元再将该线性参数写入到所述存储单元；所述线性补偿单元读取所述存储单元的线性参数并建立内部线性参数模型。

进一步地，所述信号收发单元包括串接的单总线接口和单总线驱动单元；所述单总线驱动单元通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD与PC上位机连接；所述单总线驱动单元通过所述单总线接口在所述存储单元处读取或写入数字电压信号；所述线性补偿单元在所述存储单元处写入或读取数字电压信号。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1是现有单晶硅式压力变送器的工作框图；

图2是本实用新型单晶硅式压力变送器的工作框图；

图3是图2所示集成芯片24的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2，其是本实用新型单晶硅式压力变送器的工作框图。该单晶硅式压力变送器包括压力传感器21、接线端子22、信号滤波单元23、集成芯片24、三极管25和电源滤波单元26。

所述压力传感器21通过所述接线端子22与所述信号滤波单元23连接，且所述压力传感器21受到压力后传送与所受压力相对应的模拟电压信号到所述信号滤波单元23；所述信号滤波单元23对该模拟电压信号进行滤波后传送到所述集成芯片24；所述集成芯片24将模拟电压信号转换为模拟电流信号，并通过所述三极管25调整输出与所述压力传感器21受到的压力值相对应的电流。所述集成芯片24通过所述电源滤波单元26与外界电源电连接。同时，对本实用新型的单晶硅式压力变送器进行标定时，所述集成芯片24与外界的PC上位机连接，且所述集成芯片24将数字电压信号传送到外界的PC上位机；外界的PC上位机根据数字信号获得线性参数并下载到所述集成芯片24内，之后所述集成芯片24即根据该线性参数将数字信号转换输出模拟电流信号，并通过所述三极管25调整输出与所述压力传感器21受到的压力值相对应的4-20mA的电流。

所述压力传感器21的电源正极输入端通过所述接线端子22的A端口与所述集成芯片24的电源正极输出端VBRGP连接；所述压力传感器21的正极信号输出端通过所述接线端子22的B端口与所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP连接；所述压力传感器21的负极信号输出端通过所述接线端子22的C端口与所述集成芯片24的负极信号输入端VINPN连接；所述压力传感器21的电源负极接线端通过所述接线端子22的D端口与所述集成芯片24的电源负极输出端VBRGN连接。所述集成芯片24通过电源正极输出端VBRGP和电源负极输出端VBRGN向所述传感器供压；同时，所述压力传感器21受压后产生的模拟信号通过所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP和负极信号输入端VINPN传送到所述集成芯片24进行处理。

所述信号滤波单元23为由第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3构成的RC滤波电路。所述第一电阻R1串接于所述接线端子22的B端口和所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP的连接电路上；所述第二电阻R2串接于所述接线端子22的C端口和所述集成芯片24的负极信号输入端VINPN的连接电路上。所述第一电容C1的一端连接在所述第一电阻R1与所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP的连接电路上，另一端连接在所述接线端子22的D端口与所述集成芯片24的电源负极输出端VBRGN的连接电路上。所述第二电容C2的一端的连接在所述第一电阻R1与所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP的连接电路上，另一端连接在所述第二电阻R2与所述集成芯片24的负极信号输入端VINPN的连接电路上。所述第三电容C3的一端连接在所述第二电阻R2与所述集成芯片24的负极信号输入端VINPN的连接电路上，另一端连接在所述接线端子22的D端口与所述集成芯片24的电源负极输出端VBRGN的连接电路上。

请参阅图3，其是图2所示集成芯片24的结构示意图。所述集成芯片24包括压力增益单元、压力信号模数转换单元、压力信号滤波单元、线性补偿单元、数模转换单元、电流环路变换单元、存储单元、信号收发单元、2.5V电压基准源和传感器电压源。

从所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP和负极信号输入端VINPN传送的模拟电压信号，通过所述压力增益单元扩大后，传送到所述压力信号模数转换单元；所述压力信号模数转换单元将该模拟电压信号转换成数字电压信号，并通过所述压力信号滤波单元的滤波后传送到所述线性补偿单元；所述线性补偿单元对该数字电压信号进行线性补偿后传送到所述数模转换单元；所述数模转换单元将该数字电压信号转换成模拟电压信号后传送到所述电流环路变换单元。所述集成芯片24的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP分别与外界电源的正负极相接，由外界电源向所述集成芯片24供电。且所述集成芯片24内的电流环路变换单元通过所述集成芯片24的电源正极输入端VDD、信号输出端VOUT和信号输出补偿端COMP分别与所述三极管25的集电极、基极和发射极连接，通过所述三极管25调整电流环路变换单元的电流信号输出。也就是说，所述集成芯片24的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP是所述集成芯片24的电源输入端，也是集成芯片24的电流信号输出端，即输出的电流信号叠加在电源信号传送。在所述集成芯片24的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP之间串接电流采样电阻，再在电流采样电阻上并联一万用表，即可通过读出万用表的压力示值间接获得所述电流环路变换单元的输出电流值。

同时，对本实用新型的单晶硅式压力变送器进行标定时，所述线性补偿单元也将数字电压信号传送到所述存储单元；所述存储单元将数字电压信号传送到所述信号收发单元；所述信号收发单元通过所述集成芯片24的电源正极输入端VDD与外界的PC上位机连接，并将所述数字电压信号传送到外界的PC上位机。外界的PC上位机根据数字信号获得线性参数后，通过所述集成芯片24的电源正极输入端VDD将该线性参数传送到所述信号收发单元；所述信号收发单元再将线性参数信号写入到所述存储单元；所述线性补偿单元读取所述存储单元的线性参数即可建立内部线性参数模型。所述线性补偿单元根据内部参数模型控制数模转换单元输出模拟电压信号；所述模拟电压信号经电流环路变换单元转换成4-20mA电流信号，并通过所述电源正极输入端VDD输出。即在电源正极输入端VDD输出的低频4-20mA模拟信号上叠加了数字信号，实现了双向的数字通信。

所述信号收发单元包括串接的单总线接口和单总线驱动单元。所述信号收发单元包括串接的单总线接口和单总线驱动单元；所述单总线驱动单元通过所述集成芯片24的电源正极输入端VDD与外界的PC上位机连接；所述单总线驱动单元通过所述单总线接口在所述存储单元处读取或写入数字电压信号；所述线性补偿单元在所述存储单元处写入或读取数字电压信号。

所述线性补偿单元包括最小二乘法温度压力补偿单元、二阶信号滤波单元和诊断单元。本实施例中，所述最小二乘法温度压力补偿单元对所述压力传感器21进行温度补偿的温度是由外部的PC上位机通过所述存储单元写入的固定温度，所述最小二乘法温度压力补偿单元直接将写入的固定温度值和从压力信号滤波单元23传送的数字电压信号进行线性化处理，并经过所述诊断单元诊断后，传送到所述二阶信号滤波单元；所述二阶信号滤波单元对该数字电压信号进行滤波后传送到所述存储单元或数模转换单元。

为使从外界输入的电源电压更加稳定，所述集成芯片24还包括线性稳压单元。所述线性稳压单元包括数字线性稳压单元和模拟线性稳压单元，所述外界电源通过所述数字线性稳压单元向所述信号收发单元的单总线驱动单元供电；所述外界电源通过所述模拟线性稳压单元向所述集成芯片供电。

所述集成芯片24还包括场效应管驱动，在集成芯片24外连接场效应管时，对场效应管进行调节。

所述电流环路变换单元包括一增益单元。所述增益单元对从数模转换单元传送的信号进行增益扩大处理。

此外，为使获得的电流更加准确，也可以直接测量所述压力传感器21所处工作环境下的实际温度。具体的，所述集成芯片24还包括依次连接的内部温度传感器、通道选择单元、温度增益单元、温度信号模数转换单元和温度信号滤波单元23。在所述集成芯片24的外部增加一温度传感器，将该温度传感器设置在与压力传感器21共同的工作环境中，将所述温度传感器的正负极信号输出端分别与所述集成芯片24的温度信号正极输入端VINTP和温度信号负极输入端VINTN连接，即可获得压力传感器21实际工作环境的工作温度信号；通过将实际获得的温度信号与压力信号进行线性补偿后再输出，可使得获得的电流值更加准确。

所述传感器电压源通过集成芯片24的电源正极输出端VBRGP和电源负极输出端VBRGN向所述压力传感器21提供电压。所述传感器电压源还包括一电桥驱动单元，通过该电桥驱动单元控制通向所述传感器的电压大小。

所述2.5V电压基准源与所述传感器电压源、压力信号模数转换单元和温度信号模数转换单元连接，并向所述传感器电压源、压力信号模数转换单元和温度信号模数转换单元提供标准电压。

所述电源滤波单元26包括第四电容C4、第五电容C5、第一电感L1、第二电感L2、瞬变电压抑制二极管D1和整流二极管D2。所述第四电容C4和第五电容C5的一端均连接在所述集成芯片24的电源正极输入端VDD与外界电源正极端的连接电路上，另一端均连接在所述集成芯片24的电源负极输入端FBP与外界电源负极端的连接电路上。所述第一电感L1串接于所述集成芯片24的电源正极输入端VDD与外界电源正极端之间。所述第二电感L2串接于所述集成芯片24的电源负极输入端FBP与外界电源负极端之间。所述瞬变电压抑制二极管D1的一端连接在所述第一电感L1与外界电源正极端连接电路上，另一端连接在所述第二电感L2与外界电源负极端连接电路上。所述整流二极管D2串接于所述集成芯片24的电源正极输入端VDD与所述第一电感L1之间。

为能从单晶硅式压力变送器上直接读出压力示值，本实施例中，所述单晶硅式压力变送器还包括液晶显示屏(图中未示)。所述液晶显示屏与所述集成芯片24的线性补偿单元连接。所述线性补偿单元根据电压与压力的线性关系，将电路中产生的电压信号直接转换成压力，并在液晶显示屏上显示。

为方便对单晶硅式压力变送器进行参数设置，使得无需与上位机连接即可设置仪表参数，本实施例中，所述单晶硅式压力变送器还包括按键模块(图中未示)。所述按键模块与所述集成芯片24的线性补偿单元连接，当需要设置仪表参数时，通过按键模块实现参数的设置。

进一步地，在所述集成芯片24的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP之间接一电流采样电阻，再在电流采样电阻上并联一万用表，通过读出万用表的示值即可间接获得所述电流环路变换单元的输出电流值，进而获得与电流对应的压力值。

以下详细说明所述单晶硅式压力变送器的工作过程：将所述单晶硅式压力变送器设置在工作环境中，所述压力传感器21受到压力后产生与压力值相对应的模拟电压信号，并从所述集成芯片24的正极信号输入端VINPP和负极信号输入端VINPN输送到所述压力增益单元；所述压力增益单元对该模拟电压信号进行扩大后，传送到所述压力信号模数转换单元；所述压力信号模数转换单元将该模拟电压信号转换成数字电压信号，通过所述压力信号信号滤波单元23的滤波处理后传送到所述线性补偿单元；所述线性补偿单元根据标定时下载的内部参数模型和温度补偿特性对数字信号进行处理后，控制所述数模转换单元输出相应的模拟电压信号；所述模拟电压信号通过所述电流环路变换单元和所述三极管25后控制输出4-20mA的电流。通过观察万用表即可获得与所述压力传感器21受到的压力值相对应的电压，再将该电压转换成电流并进行线性计算，即可获得所述压力传感器21受到的压力大小。同时，所述线性补偿单元根据内部参数模型也可将数字信号直接计算转换成压力值，在所述液晶显示屏上也可直接读出压力值。

对于新产的单晶硅式压力变送器需要进行标定，本实施例中，以标定量程为0-20KPa压力的单晶硅式压力变送器为例，在所述集成芯片24的电源输入端VDD接一个UART转接端子，用于与PC上位机通信。本实施例中，采用能准确输出标准压力的标准压力源对单晶硅式压力变送器进行标定。将标准压力源作用于所述压力传感器，同时给所述单晶硅式压力变送器供电，确定通信正常后，开始标定，通常标定点选择零、中、满三点。具体如下：

首先标定零点，即控制标准压力源输出0KPa的压力，观察PC上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。接着标定中点，即控制标准压力源输出10KPa的压力，观察PC上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。然后标定满点，即控制标准压力源输出20KPa的压力，观察上位机采集到的电流值，待其稳定以后采集。将PC上位机采集到的电流值进行线性化计算，并将计算好的线性参数转换成USB信号，通过UART转接端子转换成UART信号，再通过串口下载到集成芯片24的线性补偿单元内，标定就完成了。

最后就是校验，重新控制标准压力源输出0-20KPa的压力，观察万用表上的输出电压是否准确，比如，控制标准压力源输出0KPa的压力，查看万用表上的输出电压值，并计算出电流值是否等于4mA；控制标准压力源输出10KPa的压力，查看万用表上的输出电压值，并计算出电流值是否等于12mA；控制标准压力源输出20KPa的压力，查看万用表上的输出电压值，并计算出电流值是否等于20mA。如果校验合格，即单晶硅式压力变送器是合格的。

当需要修改参数时，只需要在PC上位机进行修改，重载集成芯片24的内部参数模型即可，操作简单，使用方便。

相比于现有技术，本实用新型通过对所述集成芯片进行简单的配置即可实现对压力传感器传送的电压信号进行处理，并输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流，操作简单，使用方便；并且相比于现有技术需购买多个部件并将多个部件进行贴片的方式，本实用新型通过集成芯片节省了对各个零部件连接贴片的时间，缩短了生产周期，也大大节省了成本。

本实用新型并不局限于上述实施方式，如果对本实用新型的各种改动或变形不脱离本实用新型的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本实用新型的权利要求和等同技术范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种单晶硅式压力变送器，其特征在于：包括压力传感器、信号滤波单元、集成芯片和三极管；所述压力传感器通过所述信号滤波单元与所述集成芯片连接，且所述压力传感器受到压力后传送与所受压力相对应的模拟电压信号到所述信号滤波单元；所述信号滤波单元对该模拟电压信号进行滤波后传送到所述集成芯片；所述集成芯片与外界电源电连接，其包括压力增益单元、压力信号模数转换单元、压力信号滤波单元、线性补偿单元、数模转换单元和电流环路变换单元；从所述信号滤波单元传送的模拟电压信号通过所述压力增益单元扩大后，传送到所述压力信号模数转换单元；所述压力信号模数转换单元将该模拟电压信号转换成数字电压信号，并通过所述压力信号滤波单元的滤波处理后传送到所述线性补偿单元；所述线性补偿单元将所述数字电压信号后传送到所述数模转换单元；所述数模转换单元将该数字电压信号转换成模拟电压信号后传送到所述电流环路变换单元；所述电流环路变换单元将该模拟电压信号转换成模拟电流信号，并通过所述三极管调整输出与所述压力传感器受到的压力值相对应的电流。

2.根据权利要求1所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述集成芯片的电源正极输入端VDD和电源负极输入端FBP与外界电源的正负极相接，由外界电源向所述集成芯片供电；且所述集成芯片内的电流环路变换单元通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD、信号输出端VOUT和信号输出补偿端COMP分别与所述三极管的集电极、基极和发射极连接，由电源正极输入端VDD、信号输出端VOUT和信号输出补偿端COMP输出信号到所述三极管。

3.根据权利要求2所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述集成芯片还包括存储单元和信号收发单元；所述线性补偿单元也将数字电压信号存储到所述存储单元；所述信号收发单元读取存储单元内的数字电压信号并通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD传送到外界的PC上位机；外界的PC上位机根据该数字信号获得线性参数，并通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD传送到所述信号收发单元；所述信号收发单元再将该线性参数写入到所述存储单元；所述线性补偿单元读取所述存储单元的线性参数并建立内部线性参数模型。

4.根据权利要求3所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述信号收发单元包括串接的单总线接口和单总线驱动单元；所述单总线驱动单元通过所述集成芯片的电源正极输入端VDD与外界的PC上位机连接；所述单总线驱动单元通过所述单总线接口在所述存储单元处读取或写入数字电压信号；所述线性补偿单元在所述存储单元处写入或读取数字电压信号。

5.根据权利要求4所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述线性补偿单元包括最小二乘法温度压力补偿单元、二阶信号滤波单元和诊断单元；所述最小二乘法温度压力补偿单元获得所述压力信号滤波单元传送的数字电压信号后，对该数字电压信号进行线性补偿，并通过所述诊断单元诊断后，传送到所述二阶信号滤波单元；所述二阶信号滤波单元对该数字信号进行滤波后传送到所述存储单元或数模转换单元。

6.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述集成芯片还包括传感器电压源；所述传感器电压源通过所述集成芯片的电源正极输出端VBRGP和电源负极输出端VBRGN向所述压力传感器提供电压。

7.根据权利要求6所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述集成芯片还包括2.5V电压基准源；所述2.5V电压基准源与所述传感器电压源和压力信号模数转换单元连接，并向所述传感器电压源和压力信号模数转换单元提供标准电压。

8.根据权利要求7所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：还包括电源滤波单元；所述集成芯片的电流环路变换单元通过所述电源滤波单元与外界电源连接。

9.根据权利要求8所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：还包括接线端子，所述压力传感器通过所述接线端子与所述集成芯片连接。

10.根据权利要求9所述的单晶硅式压力变送器，其特征在于：所述集成芯片还包括依次连接的内部温度传感器、通道选择单元、温度增益单元、温度信号模数转换单元和温度信号滤波单元。