CN219244708U - 一种流量传感器信号处理电路装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流量传感器信号处理电路装置，涉及流量传感器领域。该电路装置包括：电源、加热电阻、温度补偿电路、加热电阻调节电路、桥式电路、多路器、前置放大器、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；所述加热电阻调节电路用于调节所述加热电阻的温度至预设值；所述桥式电路包括设置在所述加热电阻上下游的测温电阻，用于感应由于空气流过引起的温度变化。通过本实用新型技术方案可以满足高可靠性、高精度、大量程要求的洁净气体的测量和监控，并且由于采用了恒定温差模式，保证了传感器的大范围状态测量。

Description

一种流量传感器信号处理电路装置

技术领域

本实用新型涉及流量传感器领域，特别是涉及一种流量传感器信号处理电路装置。

背景技术

目前，随着电子信息化时代的到来，对信息的测量和控制越发重要。其中流量的测量和控制广泛的应用于各个领域，如工业、医疗等。

流量是工业检测的重要因素，流量传感器在各行各业中的应用是推动国民经济增长的重要角色，如汽车领域，空气流量传感器是电控燃油喷射发动机上最重要的传感器之一，它安装在发动机的进气道上。发动机工作时，驾驶员通过加速踏板操纵节气门的开度来改变进气量以控制其运转。空气进入进气道后首先经由滤清器滤去尘埃等杂质，然后流经空气流量传感器，接着沿节气门通道进入进气歧管，最后分配到各气缸中。

具体来说，当传感器表面没有气流时，加热源周围的温度场呈对称分布，当传感器表面有气体流动时，气体对加热源有冷却作用，会带走加热源的一部分热量，导致加热源周围的温度场对称性被破坏。加热电阻在上游感应电阻和下游感应电阻之间，当汽车在行进途中时会有空气流动，一部分从所述上游感应电阻流经加热电阻，将热量传递至下游电阻再流出，另外一部分经过已经设置好的电阻背面通道流出。加热电阻失去热量传递至下游传感器增加空气流量，这就会使更多的热量发生转移。这意味着气体的流速越大，气体从加热源带走的热量越多，加热源周围的温度差距越大。

目前现有技术中工作环境都是没有考虑环境温度对于监测数据是否有影响，这样一来检测的数据误差大，元器件受风道温度影响导致稳定性差，从而通过主板元件线路影响测风元件放置架上的热膜元件，造成检测空气流量检测数据的失真。

基于以上问题，考虑一种新的流量传感器信号处理电路装置。

发明内容

针对上述背景技术提出的技术问题，本实用新型提供了一种流量传感器信号处理电路装置。

本实用新型提供了如下方案：

一种流量传感器信号处理电路装置，所述电路装置包括电源、加热电阻、温度补偿电路、加热电阻调节电路、桥式电路、多路器、前置放大器、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；所述加热电阻调节电路用于调节所述加热电阻的温度至预设值；所述温度补偿电路用于检测所述加热电阻的环境温度并对所述加热电阻进行温度补偿，以将所述加热电阻与所述环境温度的温度差保持恒定；所述桥式电路包括设置在所述加热电阻上下游的测温电阻，用于感应由于空气流过引起的温度变化；所述多路器用于接收所述桥式电路输出的电压信号，并将所述电压信号依次经过放大器放大、模数转换器转换为数字信号、数字信号处理器处理得到流量信号、数模转换器转换为流量模拟信号后输出。

优选的，所述温度补偿电路包括环境电阻和外部电阻，所述环境电阻用于检测此电阻附近的环境温度，所述外部电阻用于将加热电阻的温度保持在高于所述环境温度的某一温度。

优选的，所述多路器的输入端还连接有内部温度传感器，所述内部温度传感器与所述加热电阻设置在同一芯片上，用于电源电压的参数测量和/或自身的温度测量。

优选的，所述内部温度传感器为嵌入式的电阻电桥。

优选的，所述加热电阻的加热过程所需的电流范围在4mA到10mA之间。

优选的，所述电源电压为5.5V到26V之间。

优选的，所述电路装置还包括场效应管，用于为电源电压提供过压保护。

优选的，还包括场效应管稳压器、带隙电路和电压调节器，用于对电压的进一步调节。

优选的，所述加热电阻、所述测温电阻以及所述环境电阻为铂电阻。

优选的，所述流量传感器为MEMS芯片流量传感器。

根据本实用新型提供的技术方案，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供的流量传感器信号处理电路装置考虑了温度环境的影响，且工作在恒定温差模式，因此提高了检测的可靠性和精度，满足了大量程要求气体的测量和监控。

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是本实用新型一个实施例提供的一种流量传感器信号处理电路装置的电路图。

图2是本实用新型一个实施例提供的一种桥式电路的电桥连接方式；

图3是本实用新型一个实施例提供的加热电阻调节电路与温度补偿电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

针对上述背景技术提出的技术问题，本实用新型提供一种流量传感器信号处理电路装置。如图1和2所示，电路装置包括电源、加热电阻R_HEAT、温度补偿电路、加热电阻调节电路101、桥式电路、多路器102、前置放大器103、模数转换器104、数字信号处理器（未示出）、数模转换器106、输出总线（105，107）；其中，加热电阻调节电路101用于调节加热电阻R_HEAT的温度至预设值，通常是保持在高于环境温度的某个相对较高的温度；温度补偿电路用于检测加热电阻R_HEAT的环境温度并对加热电阻R_HEAT进行温度补偿，以将加热电阻R_HEAT与所述环境温度的温度差保持恒定。该温度补偿电路具体可以包括环境电阻R_TEMB和外部电阻R_TESTE，环境电阻R_TEMB与加热电阻位于同一流量传感器芯片上，用于检测此电阻附近的环境温度，加热电阻调节电路101用于根据环境温度调节外部电阻R_TESTE用于将加热电阻的温度保持在高于所述环境温度的某一温度。在一个优选的实施例中，加热电阻R_HEAT的加热过程所需的电流范围在4mA到10mA之间。

更优选的，电源电压为5.5V到26V之间。

在一个优选的实施例中，多路器102的输入端还连接有内部温度传感器（PTAT），该内部温度传感器与所述加热电阻设置在同一芯片上，用于电源电压V_DDA的参数测量和/或自身的温度测量。

优选的，该内部温度传感器为嵌入式的电阻电桥。

图2示出了本实用新型一个实施例提供的电桥连接方式，具体为惠斯通电桥。该惠斯通电桥包括在所述加热电阻上下游对称设置的测温电阻

和/>

以及两个电阻值恒定且相等的电阻/>

，电桥平衡条件为/>

其输出电压与温度的变化近似成正比关系。加热电阻与测温电阻的阻值受温度变化而变化，具体可以为铂电阻。当加热电阻的温度受流过的空气影响，会导致上下游的测温电阻的温度存在一个温度梯度，因而阻值也会不一样，那么其两个电阻上的电压会产生差值。空气流速越大压差越大，这个压差被采集后进入放大电路转换。因此通过测定这个压差的大小以及利用压差大小与流速对应的关系，就可以确定空气的流速流量。

加热电阻的温度需要保持恒定，但完全恒定的温度没有考虑周围环境温度的变化影响。因此本申请中考虑到了周围环境温度的影响，通过温度补偿电路将加热电阻的温度与周围环境的温度保持在一个横差，以降低周围环境温度对加热电阻的影响。具体的温度补偿电路包括一个环境电阻和外部电阻，环境电阻R_TEMB与加热电阻位于同一流量传感器芯片上，用于检测此电阻附近的环境温度，加热电阻调节电路根据环境电阻与外部电阻的设置将加热电阻的温度保持在高于所述环境温度的某一温度，实现与环境温度的恒温差。

如图3所示，具体的，加热电阻调节电路包括一放大器和电阻R1与R2，电阻R1与温度补偿电路的外部电阻R_TESTE相连，R2与R_HEAT相连。当需要满足恒温差条件即加热电阻与环境电阻温差为常数，则需要满足R_TEMB与R_HEAT的比值等于R1与R2的比值，此时△T=R_TESTE/αR_TEMB0，α为加热电阻与环境电阻的热温度系数，R_TEMB0为R_TEMB零度时的阻值。

流量信号经上述惠斯通电桥转换为电压信号，并经多路器102接收。但这一信号较为微弱，因此需要经过放大处理。因此本申请还包括前置放大电路103。该前置放大电路为多路器从惠斯通电桥采集的差分信号提供增益，并将数字转换器重新置于模拟电压的一半的中心。前置放大器将从多路复用器得到的信号进行放大处理，再输入模数转换器104中，数字内核进行校准，可以消除放大器带来的任何漂移现象。具体地，该增益可以通过3个带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）配置位设置为8种可选增益之一，来自VBP/VBN引脚的每个电桥的输入可以通过带电可擦可编程只读存储器（EEPROM）配置位翻转。

为进一步降低噪声和低温度漂移，本申请前置放大电路选用斩波稳定仪表放大器，具体包括两个对称的同相放大器和连接在同相放大器后端的减法器。该放大器具有非常高的输入阻抗，低噪声和低温度漂移。

模数转换器104是将模拟信号转换成数字信号的电路。转换器采用全差分开关电容技术设计，用于将各种信号转换到数字域。这一方式的优点有抗干扰能力强，这是由于差分信号路径和积分行为所决定的；与时钟的漂移频率和时钟抖动相独立；使用二阶模式，转换时间更快。此外，输入电压零点的四个可选值允许转换适应传感器的偏移参数。

经模数转换器转换后的数字信号进入数字信号处理器，该处理器用于处理所有转换后的输入数据得到流速流量数据以及执行温度校正，数字信号处理器从带电可擦可编程只读存储器EEPROM中读取校正系数。EEPROM包含增益和失调等校准系数，包括配置位内。具体地，配置位有输出模式、限幅值等。还提供两个16位字，用于用户可编程的存储字节，以实现模块可跟踪性。对EEPROM编程时，使用内部电荷泵电压，所以不需要高压电源。电荷泵内部调节至12.5 V，编程时间为10ms/字，除此以外，数字内核还包括用于存储指令的ROM和用作处理器寄存器文件的RAM。

与模数转换器对应，本申请还包括数模转换器106，用于将信号处理器处理得到的数字信号转换为模拟信号，属于输出阶段。具体地，此处两个11位(带12位切换模式选项)比率提供流量和可选第二输出的输出信号。

上述模数转换器104以及数模转换器106的数据可经过输出总线105、107输出至外部。

为进一步提高电路性能，本申请还包括过压保护电路，用于对电源电压进行电压保护。具体的该保护电路里包括电压调节器以及为电压调节器提供基准电压的场效应管和带隙电路、场效应管稳压电路器。

带隙电路在整个温度范围内提供低ppm输出。这种稳定的电压基准用于ASIC中需要绝对基准的调节操作，如外部JFET电源调节和内部数字电源调节器。

电压调节器使用外部场效应JFET和带隙电路提供的绝对基准电压，该电压可以为5.5至26V的电源电压提供过压保护。所述调节器设定点有一个粗调(EEPROM位)可以在5.0或5.5V左右调整设定点。

以上对本实用新型所提供的技术方案，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述电路装置包括电源、加热电阻、温度补偿电路、加热电阻调节电路、桥式电路、多路器、前置放大器、模数转换器、数字信号处理器、数模转换器；

所述加热电阻调节电路用于调节所述加热电阻的温度至预设值；

所述温度补偿电路用于检测所述加热电阻的环境温度并对所述加热电阻进行温度补偿，以将所述加热电阻与所述环境温度的温度差保持恒定；

所述桥式电路包括设置在所述加热电阻上下游的测温电阻，用于感应由于空气流过引起的温度变化并输出电压信号；

所述多路器用于接收所述桥式电路输出的电压信号，并将所述电压信号依次经过放大器放大、模数转换器转换为数字信号、数字信号处理器处理得到流量信号、数模转换器转换为流量模拟信号后输出。

2.根据权利要求1所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述温度补偿电路包括环境电阻和外部电阻，所述环境电阻用于检测此电阻附近的环境温度，所述外部电阻用于将加热电阻的温度保持在高于所述环境温度的某一温度。

3.根据权利要求1或2所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述多路器的输入端还连接有内部温度传感器，所述内部温度传感器与所述加热电阻设置在同一芯片上，用于电源电压的参数测量和/或自身的温度测量。

4.根据权利要求3所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述内部温度传感器为嵌入式的电阻电桥。

5.根据权利要求1所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述加热电阻的加热过程所需的电流范围在4mA到10mA之间。

6.根据权利要求3所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述电源电压为5.5V到26V之间。

7.根据权利要求1所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述电路装置还包括过压保护电路，用于为电源电压提供过压保护。

8.根据权利要求7所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述过压保护电路包括电压调节器以及为电压调节器提供基准电压的场效应管和带隙电路、场效应管稳压电路。

9.根据权利要求2所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述加热电阻、所述测温电阻以及所述环境电阻为铂电阻。

10.根据权利要求1所述的一种流量传感器信号处理电路装置，其特征在于，所述流量传感器为MEMS芯片流量传感器。

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