CN218765675U - 一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，属于传感器检测技术领域，包括恒流源电路、通道切换电路、信号放大电路和低通滤波电路，所述恒流源电路输出端与通道切换电路输入端连接，通道切换电路输出端与信号放大电路输入端连接，通道切换电路还与铂电阻温度传感器连接，信号放大电路输出端与低通滤波电路输入端连接。本实用新型通过在运算放大电路的基础上增加偏移量实现特定区域的高精度检测功能，检测区域范围宽，特定检测区域可以灵活调整，能够适用不同类型传感器。

Description

一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路

技术领域

本实用新型属于传感器检测技术领域，具体涉及一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路。

背景技术

在医疗细胞培养、样本保存、消杀灭菌、冷藏冷冻控制柜和工业自动化精密控制场合等领域，对温度的检测需要高精确性和高可靠性，主要是使用铂电阻传感器进行温度检测。常用做法是使用恒流源电路输出恒定电流，电流经过铂电阻后将变化的电阻量转换为变化的电压量，使用处理芯片采集铂电阻两端电压，再经过控制器计算处理得到温度值。此种方式存在问题是在铂电阻温度全域采样区间内，温度检测精度存在误差，不能做到在特定区域内高精度检测。

实用新型内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本实用新型提出一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，通过在运算放大电路的基础上增加偏移量实现特定区域的高精度检测功能，检测区域范围宽，特定检测区域可以灵活调整，能够适用不同类型传感器。

本实用新型为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，包括恒流源电路、通道切换电路、信号放大电路和低通滤波电路，所述恒流源电路输出端与通道切换电路输入端连接，通道切换电路输出端与信号放大电路输入端连接，通道切换电路还与铂电阻温度传感器连接，信号放大电路输出端与低通滤波电路输入端连接；

所述通道切换电路包括：连接器P1、磁珠B1、磁珠B2，电容C9、电容C10、电阻R14、电阻R15、二极管D1、二极管D2、多路复用器U3、多路复用器U5、电容C8、电容C12；所述连接器P1一端通过导线连接铂电阻温度传感器，连接器P1另一端连接磁珠B1、磁珠B2；磁珠B1连接电容C10和电阻R14，磁珠B2连接电容C9和电阻R15；电阻R14连接二极管D2，二极管D2连接多路复用器U3和多路复用器U4；电阻R15连接二极管D1，二极管D1连接多路复用器U3和多路复用器U4；多路复用器U3连接恒流源电路的输出端；多路复用器U4连接信号放大电路输入端。

进一步的，所述恒流源电路包括：电容C5、电阻R9、电容C7、电阻R10、电压基准芯片U2、电容C6、电阻R11、电阻R12、电容C4、运算放大器U1A、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R8、NMOS管Q3、电阻R13、电阻R3、电阻R4、电阻R1、电阻R2、PMOS管Q1、PMOS管Q2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PMOS管Q4、运算放大器U1B；

所述电阻R9连接电容C5、电容C7；电阻R10连接电阻R9、电阻R11、电压基准芯片U2和电容C6；电阻R11连接电阻R12、电容C4和运算放大器U1A；运算放大器U1A连接电容C1、NMOS管Q3和电阻R13；NMOS管Q3连接电容C2、电容C3和电阻R8；电阻R8连接运算放大器U1B；运算放大器U1B连接电阻R5、电阻R6、电阻R7、PMOS管Q4；电阻R6连接PMOS管Q1，电阻R7连接电阻Q2；PMOS管Q1连接电阻R1、电阻R3；PMOS管Q2连接电阻R2、电阻R4；PMOS管Q4的漏极为恒流源电路的输出端。

进一步的，所述信号放大电路包括：电阻R19、电容C14、电阻R17、电阻R18、PMOS管Q5、电阻R16、电容C11、运算放大器U4A、运算放大器U4B、电容C13、电阻R21、电阻R22、NMOS管Q6、电阻R23；

所述电阻R19连接电容C14和运算放大器U4A；运算放大器U4A连接电阻R18、电阻R21、电阻R22和电容C13；电阻R18连接PMOS管Q5；PMOS管Q5连接电阻R17和运算放大器U4B；运算放大器U4B连接电阻R16和电容C11；NMOS管Q6连接电阻R22和电阻R23；运算放大器U4A的输出端即为信号放大电路的输出端。

进一步的，所述低通滤波电路包括电阻R20、电容C15；所述电阻R20一端与信号放大电路输出端相连，另一端与电容C15一端相连，电容C15另一端连接电源地。

进一步的，在电阻R20与电容C15之间的连接点处引接一导线，该导线连接ADC转换电路输入端。

本实用新型的有益效果包括：

本实用新型满足铂电阻传感器宽范围温度检测的同时，实现了特定区域高精度检测；铂电阻传感器测温范围可调整，特定区域测温范围可调整，提高了灵活性；适用不同类型的铂电阻传感器，提高了设计可复用性。

附图说明

图1是本实用新型电路拓扑结构图；

图2是本实用新型电路原理图；

图3是恒流源电路放大图；

图4是通道切换电路放大图；

图5是信号放大电路放大图；

图6是低通滤波电路放大图。

图中附图标记如下：1、恒流源电路，2、通道切换电路，3、信号放大电路，4、低通滤波电路，5、铂电阻温度传感器。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或部件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于区分部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实用新型提出一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，通过在运算放大电路的基础上增加偏移量实现特定区域的高精度检测功能，包括恒流源电路1、通道切换电路2、信号放大电路3、低通滤波电路4。

在医疗样本培养保存领域，通常会使用铂电阻传感器进行温度检测，在指定使用情况下要求宽温度检测范围-45℃～300℃，在-5℃～55℃特定区域窄温度范围内要求温度高精度检测。下面使用PT1000型铂电阻传感器举例具体实施方式。

恒流源电路1作为影响铂电阻传感器检测的关键部分，不受铂电阻阻值大小影响，输出恒定的直流电流信号。此部分电路包括：电容C5、电阻R9、电容C7、电阻R10、电压基准芯片U2、电容C6、电阻R11、电阻R12、电容C4、运算放大器U1A、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R8、NMOS管Q3、电阻R13、电阻R3、电阻R4、电阻R1、电阻R2、PMOS管Q1、PMOS管Q2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PMOS管Q4、运算放大器U1B；

在上述实施方案中，所述电容C5容值为47nF，电阻R9阻值为10Ω，电容C7容值为47nF，电阻R10阻值为1KΩ，电压基准芯片U2型号为KNF431，电容C6容值为470pF，电阻R11阻值为10KΩ，电阻R12阻值为4.7KΩ，电容C4容值为47nF，运算放大器U1A型号为LM258AD，电容C1容值为47nF，电容C2容值为470pF，电容C3容值为47nF，电阻R8阻值为10KΩ，NMOS管Q3型号为DMN3052L，电阻R13阻值为4.7KΩ，电阻R3和R4阻值为4.7KΩ，电阻R1和R2阻值为10KΩ，PMOS管Q1和PMOS管Q2型号为FDN360P，电阻R5阻值为18KΩ，电阻R6阻值为1.65KΩ，电阻R7阻值为82KΩ，PMOS管Q4型号为FDN360P。

恒流源电路1具体原理是：+3.3V电源经过由电容C5、电阻R9和电容C7组成的π型RC滤波电路得到更稳定的+3.3V电源，再经过电阻R10分压后连接电压基准芯片U2。经过电压基准芯片U2可以得到稳定的参考电压Vref＝+2.5V。参考电压Vref经过由电阻R11和电阻R12组成的分压电路，得到电压V₁：

得到V₁＝+0.799V。

电压V₁经过电容C4滤波后连接运算放大器U1A的同相输入端。运算放大器U1A处于线性工作状态，同相输入端与反相输入端电压相等，即：

V₂＝V₁

因此经过电阻R13的电流I_R13：

得到I_R13＝0.17mA。

电阻R8、NMOS管Q3和电阻R13位于同一电流回路，经过电阻R8的电流I_R8与经过电阻R13的电流I_R13相同，即：

I_R8＝I_R13

因此电阻R8两端电压电压V_R8：

V_R8＝I_R8×R8

得到V_R8＝1.7V。

运算放大器U1B处于线性工作状态，同相输入端与反相输入端电压相等，即：

V₃＝V₄

因此得到电阻R5两端电压与电阻R8两端电压相等，即：

V_R5＝V_R8＝V_IF

其中，通过控制信号MUX1和MUX2输出高低电平，可以将电阻R6，电阻R7，或电阻R6和电阻R7，以不同组合形式与电阻R5并联得到不同的电阻R_IF，如下表1所示：

表1：

电阻R_IF两端电压V_IF恒定，根据欧姆定律在不同的R_IF阻值情况下，通过计算可以得到不同的恒定电流Ic，此部分电路可以实现了在不改变硬件电路的前提下，对恒定电流Ic灵活调节的作用，实现了电路设计适用不同类型的铂电阻传感器。

举例：当使用PT1000类型铂电阻传感器时R_IF＝R5//R6，即：

得到R_IF＝1.51145KΩ，再通过计算恒定电流Ic：

得到Ic＝1.125mA

PMOS管Q4处于导通状态，恒定电流Ic经过PMOS管Q4的漏极进入通道切换电路2。

优选的，在恒流源电路1中电阻R11、电阻R12、电阻R8、电阻R13、电阻R5、电阻R6和电阻R7选用高精度低温漂电阻，可以有效的提高恒定电流Ic的精度，可以有效的降低由温度变化带来恒定电流Ic精度漂移。

通道切换电路2是使用多路复用器(模拟开关)实现铂电阻传感器三线制检测，也同时可以实现检测多路三线制铂电阻传感器功能。此部分电路包括：连接器P1、磁珠B1、磁珠B2，电容C9、电容C10、电阻R14、电阻R15、二极管D1、二极管D2、多路复用器U3、多路复用器U5、电容C8、电容C12；

上述实施方案中，所述连接器P1参考铂电阻传感器接口选型，磁珠B1和B2型号为BLM18AG121SN1D，电容C9和C10容值为4.7nF，电阻R14和R15阻值为10Ω，二极管D1和D2型号为BAV99，多路复用器U3和U5型号为CD4051，电容C8和C12容值为47nF。

通道切换电路2具体原理是：由主控芯片控制多路复用器的通道选择端MUXA、MUXB、MUXC，多路复用器U3作用是切换从恒流源电路1流出的恒流电流Ic的流通路径，多路复用器U5的作用是切换输出给信号放大电路3的电压采集路径。

举例说明：

步骤一：主控芯片通过控制MUXA、MUXB、MUXC，使U3的3脚(X)与13脚(X0)导通，同时U5的3脚(X)与13脚(X0)也导通。电流IC流经二极管D2、电阻R14、电容C10、磁珠B1和连接导线到达铂电阻温度传感器5再流入电源地。电压采集经由多路复用器U5的3脚(X0)输出给信号放大电路3。

步骤二：主控芯片通过控制MUXA、MUXB、MUXC，使U3的3脚(X)与14脚(X1)导通，同时U5的3脚(X)与14脚(X1)也导通。电流IC流经二极管D1、电阻R15、电容C9、磁珠B2和连接导线到达铂电阻温度传感器5再流入电源地。电压采集经由多路复用器U5的3脚(X0)输出给信号放大电路3。

步骤三：经过步骤一和步骤二，主控芯片经过采集、滤波、计算处理得到将检测到的两个电压值转换为两个电阻值，再通过相减消除导线电阻误差，得到精确的铂电阻温度传感器5阻值，再经过主控芯片换算得到温度值。

以一个通道举例，磁珠B1，电容C10，电阻R14作用是滤波和提供抗干扰性，二极管D2是接口保护二极管，当电压过高或过低时二极管导通，可以有效保护后级电路。

参照上述举例以此类推，可以使用多路复用器的其它通道引脚，实现更多通道的三线制铂电阻传感器检测。

信号放大电路3是使用运算放大器组成带偏移量的运算放大电路，其中偏移量的有无可以由主控芯片控制，放大倍数也可以由主控芯片控制。此部分电路包括：电阻R19、电容C14、电阻R17、电阻R18、PMOS管Q5、电阻R16、电容C11、运算放大器U4A、运算放大器U4B、电容C13、电阻R21、电阻R22、NMOS管Q6、电阻R23。

上述实施案例中，所述电阻R19阻值为4.7KΩ，电容C14容值为10nF，电阻R17阻值为4.7KΩ，电阻R18阻值为4.7KΩ，PMOS管Q5型号为FDN360P，电阻R16阻值为4.7KΩ，电容C11容值为47nF，运算放大器U4A、U4B型号为LM258AD，电容C13容值为47nF，电阻R21阻值为13KΩ，电阻R22阻值为4.7KΩ，NMOS管Q6型号为DMN3052L，电阻R23阻值为4.7KΩ。

信号放大电路3具体原理是：参考电压Vref经过电阻R16、电容C11滤波后接入由运算放大器U4B组成的电压跟随器的同相输入端，所以：

V_f＝V_ref

得到V_f＝+2.5V。

由通道切换电路2输出的电压信号经过电阻R19、电容C14滤波后连接运算放大器U4A的同相输入端，运算放大器U4A处于线性工作状态，所以：

V₅＝V₆＝I_c×(R+10)(其中R是铂电阻阻值，10Ω是线路电阻)

主控芯片可以通过控制GAIN信号高低电平，来改变放大电路的放大倍数，当GAIN信号为高电平时，NMOS管Q6导通，由电阻R21、电阻R22和运算放大器U4A组成负反馈放大电路；当GAIN信号为低电平时，NMOS管Q6截止，由电阻R21和运算放大器U4A组成电压跟随器电路。

主控芯片可以通过控制OFFSET信号高低电平，来改变放大电路的偏移量，当OFFSET信号为高电平时，PMOS管Q5截止，放大电路无偏移量；当OFFSET信号为低电平时，PMOS管Q5导通，放大电路有偏移量。

举例说明：

ADC模拟数字转换器参考电压V_ref＝+2.5V，当时使用PT1000铂电阻传感器检测宽范围区域时，GAIN＝低电平，OFFSET＝高电平，此时是电压跟随器电路：

宽范围区域检测温度最小值T_MIN1＝-200℃，温度对应电阻值R_MIN1＝184.932Ω，计算输出电压V₇为：

V₇＝V₅＝I_c×(R_MIN1+10)

得到V₇＝0.219V。

宽范围区域检测温度最大值T_MAX1＝305℃，温度对应电阻值R_MAX1＝2137.973Ω，计算输出电压V₇为：

V₇＝V₅＝I_c×(R_MAX1+10)

得到V₇＝2.416V。

当时使用PT1000铂电阻传感器检测窄范围区域时，GAIN＝高电平，OFFSET＝低电平，此时是带偏移量的放大电路：

窄范围区域检测温度最小值T_MIN2＝-10℃，温度对应电阻值R_MIN2＝960.861Ω，计算输出电压V₇为：

V₅＝I_c×(R_MIN2+10)

得到V₇＝0.2178V。

窄范围区域检测温度最大值T_MAX2＝65℃，温度对应电阻值R_MAX2＝1251.57Ω，计算输出电压V₇为：

V₅＝I_c×(R_MAX2+10)

得到V₇＝2.3536V。

因为宽范围区域和窄范围区域使用同一参考电压V_ref，所以窄范围区域检测精度更高。

低通滤波电路4是利用电阻和电容组成一阶无源RC低通滤波器去除信号中高频交流成分，为后面的ADC转换电路提供更纯净的直流信号。此部分电路包括：电阻R20和电容C15。电阻R20一端与信号放大电路3输出端相连，另一端与电容C15相连。电阻R20和电容C15连接点处引接一导线连接ADC转换电路。

上述实施案例中，所述电阻R20阻值为4.7KΩ，电容C15容值为10nF。电压信号经过低通滤波电路4后输出端连接ADC转换电路，ADC转换电路作用是将模拟信号转换为数字信号，再将数字信号提供给主控芯片进行处理。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，其特征在于，包括恒流源电路(1)、通道切换电路(2)、信号放大电路(3)和低通滤波电路(4)，所述恒流源电路(1)输出端与通道切换电路(2)输入端连接，通道切换电路(2)输出端与信号放大电路(3)输入端连接，通道切换电路(2)还与铂电阻温度传感器(5)连接，信号放大电路(3)输出端与低通滤波电路(4)输入端连接；

所述信号放大电路(3)包括：电阻R19、电容C14、电阻R17、电阻R18、PMOS管Q5、电阻R16、电容C11、运算放大器U4A、运算放大器U4B、电容C13、电阻R21、电阻R22、NMOS管Q6、电阻R23；所述电阻R19连接电容C14和运算放大器U4A；运算放大器U4A连接电阻R18、电阻R21、电阻R22和电容C13；电阻R18连接PMOS管Q5；PMOS管Q5连接电阻R17和运算放大器U4B；运算放大器U4B连接电阻R16和电容C11；NMOS管Q6连接电阻R22和电阻R23；运算放大器U4A的输出端即为信号放大电路(3)的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，其特征在于，所述恒流源电路(1)包括：电容C5、电阻R9、电容C7、电阻R10、电压基准芯片U2、电容C6、电阻R11、电阻R12、电容C4、运算放大器U1A、电容C1、电容C2、电容C3、电阻R8、NMOS管Q3、电阻R13、电阻R3、电阻R4、电阻R1、电阻R2、PMOS管Q1、PMOS管Q2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、PMOS管Q4、运算放大器U1B；

所述电阻R9连接电容C5、电容C7；电阻R10连接电阻R9、电阻R11、电压基准芯片U2和电容C6；电阻R11连接电阻R12、电容C4和运算放大器U1A；运算放大器U1A连接电容C1、NMOS管Q3和电阻R13；NMOS管Q3连接电容C2、电容C3和电阻R8；电阻R8连接运算放大器U1B；运算放大器U1B连接电阻R5、电阻R6、电阻R7、PMOS管Q4；电阻R6连接PMOS管Q1，电阻R7连接电阻Q2；PMOS管Q1连接电阻R1、电阻R3；PMOS管Q2连接电阻R2、电阻R4；PMOS管Q4的漏极为恒流源电路(1)的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，其特征在于，所述通道切换电路(2)包括：连接器P1、磁珠B1、磁珠B2，电容C9、电容C10、电阻R14、电阻R15、二极管D1、二极管D2、多路复用器U3、多路复用器U5、电容C8、电容C12；

所述连接器P1一端通过导线连接铂电阻温度传感器(5)，连接器P1另一端连接磁珠B1、磁珠B2；磁珠B1连接电容C10和电阻R14，磁珠B2连接电容C9和电阻R15；电阻R14连接二极管D2，二极管D2连接多路复用器U3和多路复用器U4；电阻R15连接二极管D1，二极管D1连接多路复用器U3和多路复用器U4；多路复用器U3连接恒流源电路(1)的输出端；多路复用器U4连接信号放大电路(3)输入端。

4.根据权利要求1所述的一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，其特征在于，所述低通滤波电路(4)包括电阻R20、电容C15；所述电阻R20一端与信号放大电路(3)输出端相连，另一端与电容C15一端相连，电容C15另一端连接电源地。

5.根据权利要求4所述的一种铂电阻传感器特定区域高精度检测电路，其特征在于，在电阻R20与电容C15之间的连接点处引接一导线，该导线连接ADC转换电路输入端。

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