CN213455881U - 一种适用于户外有源无线温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种适用于户外有源无线温度传感器，对测温热敏芯片的后端电路的应用，通过设置第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路，第一RC滤波电路和第二RC滤波电路，滤除热电偶产生的宽带噪声，消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；差分放大电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理，进一步消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；通过设置第一单端放大电路和第二单端放大电路，叠加放大电压信号，电路的噪声信号密度低，进一步提高信号调理电路的信噪比。
Description
技术领域
本实用新型涉及温度传感器技术领域，尤其涉及一种适用于户外有源无线温度传感器。
背景技术
红外热电堆传感器是现有常用于户外温度检测的有源无线温度传感器，由于红外热电堆传感器转换后的电压信号比较微弱，每个热电堆传感器后端都需接入相应的信号处理电路，红外热电堆传感器需要有较小的温度响应率和噪声电压。由于红外热电堆传感器温度响应率为0.2mV/K，因此系统总体噪声要求小于0.2mV才不会将电压信号湮没。
红外热电堆传感器的前端信号调理电路要求有较高信噪比，要求红外热电堆传感器前端信号调理电路信噪比不低于85dB。而受制于调理电路的系统噪声，会使得信噪比变得比较低，严重情况下可能会使得微弱信号湮没在电路噪声中。
因此，为了解决上述问题，本实用新型提出了一种适用于户外有源无线温度传感器，提高信噪比，满足红外热电堆传感器前端信号调理电路信噪比不低于85dB的要求。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提出了一种适用于户外有源无线温度传感器，提高信噪比，满足红外热电堆传感器前端信号调理电路信噪比不低于85dB的要求。
本实用新型的技术方案是这样实现的：本实用新型提供了一种适用于户外有源无线温度传感器，其包括CPU芯片、红外热电堆传感器和信号调理电路，信号调理电路包括前置差分放大电路、第一单端放大电路、第二单端放大电路和四阶巴特沃兹低通滤波器；
红外热电堆传感器包括热电偶；
热电偶的热端与前置差分放大电路的第一输入端电性连接，热电偶的冷端与前置差分放大电路的第二输入端电性连接，前置差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接，第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端均与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接，四阶巴特沃兹低通滤波器的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，前置差分放大电路包括第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路；
热电偶的热端通过第一RC滤波电路与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与差分放大电路的反相输入端电性连接，差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。
更进一步优选的，第一RC滤波电路包括电容C31和电阻R2；
热电偶的热端通过电阻R2与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的热端与电容C31的一端电性连接，电容C31的另一端接地。
更进一步优选的，差分放大电路包括电阻R3-R5、电容C32和第一运算放大器OPA2209；
热电偶的热端通过电阻R2分别与第一运算放大器OPA2209的同相输入端和电阻R4一端电性连接，电阻R4另一端接地，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与第一运算放大器OPA2209的反相输入端电性连接，电容C32并联在第一运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R3并联在电容C32的两端，第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。
更进一步优选的，第一单端放大电路包括电容C33、电阻R6、电阻R7和第二运算放大器OPA2209；
第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5与第二运算放大器OPA2209的同相输入端电性连接，第二运算放大器OPA2209的反相输入端通过电阻R7接地，电容C33并联在第二运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R6并联在电容C33的两端，第二运算放大器OPA2209的输出端与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，四阶巴特沃兹低通滤波器包括两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器；
第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端通过两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
更进一步优选的，二阶巴特沃兹低通滤波器包括电阻R10-R13、电容C35、电容C36和第四运算放大器AD8629；
第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端通过电阻R10分别与电容C35的一端和电阻R11的一端电性连接，电容C35的另一端与第四运算放大器AD8629的输出端电性连接，电阻R11的另一端分别与电容C36的一端和第四运算放大器AD8629的同相输入端电性连接，电容C36的另一端接地，第四运算放大器AD8629的反相输入端通过电阻R13接地，电阻R12并联在第四运算放大器AD8629的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器AD8629的输出端通过另一个二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
本实用新型的一种适用于户外有源无线温度传感器相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)通过设置第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路，第一RC滤波电路和第二RC滤波电路，滤除热电偶产生的宽带噪声，消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；差分放大电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理，利用差分放大电路可抑制共模干扰和零点漂移产生的误差信号的特性，进一步消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；
(2)通过设置第一单端放大电路和第二单端放大电路，在放大倍数相同的情况下，使用第一单端放大电路和第二单端放大电路并联的电路结构，叠加放大电压信号，电路的噪声信号密度低，电路噪声仅被放大
倍，进一步提高信号调理电路的信噪比，使第一单端放大电路和第二单端放大电路输出信号信噪比大于85dB；
(3)通过设置四阶巴特沃兹低通滤波器，滤除第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号中包含的高频噪声，提高信号调理电路信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的一种适用于户外有源无线温度传感器的系统结构图；
图2为本实用新型的一种适用于户外有源无线温度传感器中前置放大电路、第一单端放大电路、第二单端放大电路的电路图；
图3为本实用新型的一种适用于户外有源无线温度传感器中四阶巴特沃兹低通滤波器的电路图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施方式，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型的一种适用于户外有源无线温度传感器，其包括CPU芯片、红外热电堆传感器、信号调理电路。
红外热电堆传感器，用于测量温度，红外热电堆传感器包括热电偶，红外热电堆传感器利用热电偶冷热两端的电势差检测温度。热电偶的热端及其冷端均通过信号调理电路与CPU芯片的模拟输入端电性连接。如图2所示，Vi+对应表示热电偶的热端输出的电压信号，Vi-对应表示热电偶的冷端输出的电压信号。
信号调理电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差，并对电势差进行放大滤波处理。优选的，本实施例中，信号调理电路包括前置差分放大电路、第一单端放大电路、第二单端放大电路和四阶巴特沃兹低通滤波器。
前置差分放大电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理。具体的，前置差分放大电路的第一输入端与热电偶的热端电性连接，前置差分放大电路的第二输入端与热电偶的冷端电性连接，前置差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。优选的，本实施例中，前置差分放大电路包括第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路。
第一RC滤波电路和第二RC滤波电路，滤除热电偶产生的宽带噪声，消除热电偶冷热两端电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比。具体的，热电偶的热端通过第一RC滤波电路与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与差分放大电路的反相输入端电性连接。优选的，本实施例中，第一RC滤波电路和第二RC滤波电路为对称的电路，因此，在此不再累述第二RC滤波电路的电路结构。
优选的，本实施例中，如图2所示，第一RC滤波电路包括电容C31和电阻R2；具体的，所述热电偶的热端通过电阻R2与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的热端与电容C31的一端电性连接，电容C31的另一端接地。其中，电容C31为共模滤波电容，用于滤除热电偶冷热两端输出电压信号中的宽带噪声；电阻R2为负载电阻，防止热电偶热端输出电压信号过大击穿差分放大电路；本实施例中，如图2所示，第一RC滤波电路和第二RC滤波电路可以共用电容C31，热电偶的冷端通过电阻R1与差分放大电路的反相输入端电性连接，电容C31并联在热电偶的热端及其冷端之间；电阻R1和电容C31、电阻R2和电容C31分别组成两组RC滤波电路，进一步滤除热电偶冷热两端输出电压信号中的干扰噪声，提高信号调理电路的信噪比。
差分放大电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理，利用差分放大电路可抑制共模干扰和零点漂移产生的误差信号的特性，进一步消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比。具体的，热电偶的热端通过第一RC滤波电路与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与差分放大电路的反相输入端电性连接，差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。本实施例中，前置差分放大电路的第一输入端对应表示差分放大电路的同相输入端；前置差分放大电路的第二输入端对应表示差分放大电路的反相输入端；前置差分放大电路的输出端对应表示差分放大电路的输出端。
优选的，本实施例中，差分放大电路包括电阻R3-R5、电容C32和第一运算放大器OPA2209，热电偶的热端通过电阻R2分别与第一运算放大器OPA2209的同相输入端和电阻R4一端电性连接，电阻R4另一端接地，热电偶的冷端通过电阻R1与第一运算放大器OPA2209的反相输入端电性连接，电容C32并联在第一运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R3并联在电容C32的两端，第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。如图2表示，U1表示第一运算放大器OPA2209。
其中，电阻R4为平衡电阻，用于消除第一运算放大器OPA2209的温度漂移；电阻R3为负反馈电阻，用于减小第一运算放大器OPA2209的失调电压误差以及信号非线性失真；电容C32为高频消振电容，用于防止第一运算放大器OPA2209产生高频振荡干扰；同时电容C32和电阻R3组成RC滤波电路，用于滤除第一运算放大器OPA2209内部产生的干扰噪声；电阻R5为耦合电阻，用于隔离差分放大电路、第一单端放大电路和第二单端放大电路之间静态工作点的影响；第一运算放大器OPA2209构成差分放大器，用于采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理，同时抑制共模干扰信号和零点漂移产生的误差信号，进一步消除热电偶冷热两端电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比。
第一单端放大电路和第二单端放大电路，在放大倍数相同的情况下，使用第一单端放大电路和第二单端放大电路并联的电路结构，放大后的电压信号叠加输出，相比于仅使用一个单端放大电路，电路的噪声信号密度更低，电路噪声仅被放大
倍，进一步提高信号调理电路的信噪比。具体的，第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端均与置差分放大电路的输出端电性连接，第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端均与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接。优选的，本实施例中，第一单端放大电路和第二单端放大电路的电路结构对称，因此，在此只介绍第一单端放大电路的电路结构。
优选的，本实施例中，第一单端放大电路包括电容C33、电阻R6、电阻R7和第二运算放大器OPA2209；具体的，第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5与第二运算放大器OPA2209的同相输入端电性连接，第二运算放大器OPA2209的反相输入端通过电阻R7接地，电容C33并联在第二运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R6并联在电容C33的两端，第二运算放大器OPA2209的输出端与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接。如图2表示，U2表示第二运算放大器OPA2209；Vo1对应表示第一单端放大电路和第二单端放大电路输出的电压信号。
其中，电阻R6为负反馈电阻，用于减小第二运算放大器OPA2209的失调电压误差以及信号非线性失真；电容C33为高频消振电容，用于防止第二运算放大器OPA2209产生高频振荡干扰；同时电容C33和电阻R6组成RC滤波电路，用于滤除第二运算放大器OPA2209内部产生的干扰噪声；电阻R7为平衡电阻，用于消除第二运算放大器OPA2209的温度漂移；第二运算放大器OPA2209用于放大差分放大电路输出电压信号，第一单端放大电路和第二单端放大电路并联，降低第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号的电压噪声密度，减小电路噪声，使第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号信噪比大于85dB。
四阶巴特沃兹低通滤波器，滤除第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号中包含的高频噪声，提高信号调理电路信噪比。具体的，四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端分别与第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端电性连接，四阶巴特沃兹低通滤波器的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。优选的，本实施例中，四阶巴特沃兹低通滤波器包括两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器；其中，两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器的电路结构可以相同，也可以不同，优选的，本实施例中，设置两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器的电路结构相同，因此，在此只介绍其中一个二阶巴特沃兹低通滤波器的电路结构。
二阶巴特沃兹低通滤波器，滤除第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号中包含的高频噪声，提高信号调理电路信噪比。具体的，二阶巴特沃兹低通滤波器的输入端分别与第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端电性连接，二阶巴特沃兹低通滤波器的输出端通过另一个二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
优选的，本实施例中，如图3所示，二阶巴特沃兹低通滤波器包括电阻R10-R13、电容C35、电容C36和第四运算放大器AD8629；具体的，第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端通过电阻R10分别与电容C35的一端和电阻R11的一端电性连接，电容C35的另一端与第四运算放大器AD8629的输出端电性连接，电阻R11的另一端分别与电容C36的一端和第四运算放大器AD8629的同相输入端电性连接，电容C36的另一端接地，第四运算放大器AD8629的反相输入端通过电阻R13接地，电阻R12并联在第四运算放大器AD8629的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器AD8629的输出端通过另一个二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。如图3表示，U4表示第四运算放大器AD8629；Vo2_D0对应表示四阶巴特沃兹低通滤波器输出的电压信号。
其中，电阻R10、电容C35、电阻R11和电容C36组成两阶RC滤波电路，滤除第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号中的高频噪声；电阻R12为负反馈电阻，用于减小第四运算放大器AD8629的失调电压误差以及信号非线性失真；电阻R13为调零电阻，用于抑制第四运算放大器AD8629的零点漂移；第四运算放大器AD8629用于放大第一单端放大电路和第二单端放大电路输出的电压信号并滤除高频噪声，进一步提高信号调理电路信噪比。
CPU芯片，对四阶巴特沃兹低通滤波器输出的电压信号进行处理计算。CPU芯片的模拟输入端与四阶巴特沃兹低通滤波器的输出端电性连接。本实施例中，不涉及对CPU芯片内部算法的改进，因此，在此不再累述CPU芯片的内部算法。本实施例不限定CPU芯片的型号，优选的，选用P2C8Q208C8；D0引脚对应表示CPU芯片的模拟输入端。
本实施例的工作原理是：红外热电堆传感器中热电偶冷热两端的电压信号输出到第一RC滤波电路和第二RC滤波电路，滤除热电偶产生的宽带噪声，消除热电偶冷热两端电压信号中存在的噪声信号，处理后的热电偶热端信号输入到差分放大电路的同相输入端，其冷端信号输入到差分放大电路的反相输入端，差分放大电路采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差，并对电势差进行放大处理，处理后的电压信号分为两路，一路输入到第一单端放大电路，另一路输入到第二单端放大电路，并联的第一单端放大电路和第二单端放大电路放大输入的电压信号，降低电压信号的电压噪声密度，放大后的电压信号叠加输出到四阶巴特沃兹低通滤波器进行滤波处理，滤波处理后的电压信号输入到CPU芯片进行处理计算。
本实施例的有益效果为：通过设置第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路，第一RC滤波电路和第二RC滤波电路，滤除热电偶产生的宽带噪声，消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；差分放大电路，采集热电偶冷热两端电压信号，得到电势差并进行放大处理，利用差分放大电路可抑制共模干扰和零点漂移产生的误差信号的特性，进一步消除热电偶冷热两端输出电压信号中存在的噪声信号，提高信号调理电路的信噪比；
通过设置第一单端放大电路和第二单端放大电路，在放大倍数相同的情况下，使用第一单端放大电路和第二单端放大电路并联的电路结构，叠加放大电压信号，电路的噪声信号密度低，电路噪声仅被放大
倍，进一步提高信号调理电路的信噪比，使第一单端放大电路和第二单端放大电路输出信号信噪比大于85dB；
通过设置四阶巴特沃兹低通滤波器，滤除第一单端放大电路和第二单端放大电路输出电压信号中包含的高频噪声，提高信号调理电路信噪比。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种适用于户外有源无线温度传感器，其包括CPU芯片、红外热电堆传感器和信号调理电路，其特征在于：所述信号调理电路包括前置差分放大电路、第一单端放大电路、第二单端放大电路和四阶巴特沃兹低通滤波器；
所述红外热电堆传感器包括热电偶；
所述热电偶的热端与前置差分放大电路的第一输入端电性连接，热电偶的冷端与前置差分放大电路的第二输入端电性连接，前置差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接，第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端均与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接，四阶巴特沃兹低通滤波器的输出端与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
2.如权利要求1所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述前置差分放大电路包括第一RC滤波电路、第二RC滤波电路和差分放大电路；
所述热电偶的热端通过第一RC滤波电路与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与差分放大电路的反相输入端电性连接，差分放大电路的输出端分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。
3.如权利要求2所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述第一RC滤波电路包括电容C31和电阻R2；
所述热电偶的热端通过电阻R2与差分放大电路的同相输入端电性连接，热电偶的热端与电容C31的一端电性连接，电容C31的另一端接地。
4.如权利要求3所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述差分放大电路包括电阻R3-R5、电容C32和第一运算放大器OPA2209；
所述热电偶的热端通过电阻R2分别与第一运算放大器OPA2209的同相输入端和电阻R4一端电性连接，电阻R4另一端接地，热电偶的冷端通过第二RC滤波电路与第一运算放大器OPA2209的反相输入端电性连接，电容C32并联在第一运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R3并联在电容C32的两端，第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5分别与第一单端放大电路的输入端和第二单端放大电路的输入端电性连接。
5.如权利要求4所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述第一单端放大电路包括电容C33、电阻R6、电阻R7和第二运算放大器OPA2209；
所述第一运算放大器OPA2209的输出端通过电阻R5与第二运算放大器OPA2209的同相输入端电性连接，第二运算放大器OPA2209的反相输入端通过电阻R7接地，电容C33并联在第二运算放大器OPA2209的反相输入端及其输出端之间，电阻R6并联在电容C33的两端，第二运算放大器OPA2209的输出端与四阶巴特沃兹低通滤波器的输入端电性连接。
6.如权利要求1所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述四阶巴特沃兹低通滤波器包括两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器；
所述第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端通过两个串联的二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
7.如权利要求6所述的一种适用于户外有源无线温度传感器，其特征在于：所述二阶巴特沃兹低通滤波器包括电阻R10-R13、电容C35、电容C36和第四运算放大器AD8629；
所述第一单端放大电路的输出端和第二单端放大电路的输出端通过电阻R10分别与电容C35的一端和电阻R11的一端电性连接，电容C35的另一端与第四运算放大器AD8629的输出端电性连接，电阻R11的另一端分别与电容C36的一端和第四运算放大器AD8629的同相输入端电性连接，电容C36的另一端接地，第四运算放大器AD8629的反相输入端通过电阻R13接地，电阻R12并联在第四运算放大器AD8629的反相输入端及其输出端之间，第四运算放大器AD8629的输出端通过另一个二阶巴特沃兹低通滤波器与CPU芯片的模拟输入端电性连接。
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| CN202022411768.1U CN213455881U (zh) | 2020-10-26 | 2020-10-26 | 一种适用于户外有源无线温度传感器 |
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|---|---|---|---|---|
| CN113917297A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-01-11 | 广东电网有限责任公司广州供电局 | 电缆检测装置以及电缆检测系统 |
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2020
- 2020-10-26 CN CN202022411768.1U patent/CN213455881U/zh not_active Expired - Fee Related
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