CN221175272U - 一种传感器温度压力补偿电路 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种传感器温度压力补偿电路，应用于氧传感器中，包括压力传感器信号输入模块和温度传感器信号输入模块，用于采集压力传感器和温度传感器的输出电流信号；压力信号转换模块，将电流信号转化为电压信号并放大，输出压力补偿信号；温度信号转换模块，将电流信号转化为电压信号并放大，输出温度补偿信号；氧传感器信号输入模块，采集氧传感器的输出电压信号；氧信号放大模块，将电压信号送入精密仪表放大器进行放大，再经过二级运算放大器输出氧信号；模数转换模块，将压力、温度补偿信号以及氧信号由模拟量转换为数字量；MCU处理器模块，对转换后的数字量信号进行计算以及数据处理，完成温度压力补偿，提高氧传感器测量的准确度。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器技术领域，特别是一种传感器温度压力补偿电路。
背景技术
顺磁原理的氧传感器利用氧的顺磁性，将氧与大多数其他普通气体区分开来。传感器采用两个氮填充玻璃球，安装在一个牢固的金属悬架上。这个悬架悬浮在一个对称的非均匀磁场中。当周围的气体含有顺磁氧时，玻璃球就会被推离磁场最强的部分。作用在悬架上的扭矩的强度与周围气体的含氧量成正比。测量系统是“零平衡”的。悬架的“零”位置是在氮气为背景气中，由一个光电传感器测得，该传感器接收附着在悬架上的镜子反射的光。光电传感器的输出经过处理后，反馈到绕在悬架周围的线圈上。当氧气被引入电池时，作用在悬架上的扭矩通过线圈中反馈电流产生的恢复扭矩来平衡。反馈电流与样品气体的磁化率成正比，经过校准后，与样品中氧气的分压成正比。传感器的输出与样品中的氧气浓度成正比，可以快速、准确地测试气体中的氧含量。适用于石油、化工、特气、钢铁等工业部门进行气体氧含量的检测以及工艺流程中的氧含量测量。
氧传感器的输出为电压信号，电路处理中，通常将传感器的电压信号送入高精度仪表放大器，进行线性放大，再进入微处理器中进行模数转换处理，得到氧含量数值。但在工业测量环境中，样品气的温度和压力是变化的，这种变化量会对氧传感器的测量数据产生影响。传统的电路设计，未加温度和压力补偿处理，氧传感器的信号会有很大的偏差，影响测量的准确度。
实用新型内容
本实用新型提供了一种传感器温度压力补偿电路，目的是能够实时检测样品气中的温度和压力并在电路中增加温度压力补偿电路进行处理，使传感器在温度和压力变化的情况下得到准确的氧含量数值，提高氧传感器测量的准确度。
为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
一种传感器温度压力补偿电路，包括：压力传感器信号输入模块，用于采集压力传感器的输出电流信号并输送给压力信号转换模块，压力信号转换模块将所接收的电流信号转化为电压信号并放大后作为压力补偿信号输出至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
温度传感器信号输入模块，用于采集温度传感器的输出电流信号并输送给温度信号转换模块，温度信号转换模块将所接收的电流信号转化为电压信号并放大后作为温度补偿信号输出至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
氧传感器信号输入模块，用于采集氧传感器的输出电压信号并输送给氧信号放大模块，氧信号放大模块中的精密仪表放大器以及运算放大器将所接收的电压信号放大后输送至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
MCU处理器模块，对转换后的数字量信号进行计算以及数据处理，以对氧信号进行温度压力补偿；
以及为所述电路供电的电源转换模块。
更进一步地，所述压力信号转换模块包括采样电阻R121以及运算放大器U103A，电流信号经过采样电阻R121之后转变为电压信号并经过运算放大器U103A进行放大。
更进一步地，所述温度信号转换模块包括采样电阻R221以及运算放大器U203A，电流信号经过采样电阻R221之后转变为电压信号并经过运算放大器U203A进行放大。
更进一步地，所述氧信号放大模块的精密仪表放大器为INA128、TLC2262以及运算放大器为LM258，输出电压信号经过INA128精密仪表放大器进行放大，叠加TLC2262的零点输入电压，再经过二级运算放大器LM258后，输出氧信号。
更进一步地，所述模数转换模块包括多路开关CD4051和模数转换器ADS1110，氧信号和温度、压力补偿信经多路开关CD4051，顺序选通进入模数转换器ADS1110，转换为I2C信号。
更进一步地，所述MCU处理器模块包括单片机STC12C5608AD、晶体振荡器，氧信号、温度和压力补偿信号送入单片机STC12C5608AD内进行数据处理，对氧信号进行温度压力补偿。
更进一步地，所述电源转换模块的输出包括+24V输出、+5V输出、+2.5V输出以及-5V输出，所述电源转换模块包括芯片LM317、芯片UA78M05、芯片TPS60400以及芯片MC1403B，芯片LM317对电路进行限流，芯片UA78M05将+24V电压转变为+5V输出，芯片TPS60400将输入+5V电压转变为-5V输出，芯片MC1403B将+5V电压转变为+2.5V输出。
优选的，为保证芯片在极端工作温度条件下具有温度稳定性，所述精密仪表放大器INA128芯片采用SO-8封装，工作温度范围为﹣40至+85℃。
本实用新型的压力传感器信号输入模块、温度传感器输入模块以及氧传感器信号输入模块，采集压力传感器的输出电流信号、温度传感器的输出电流信号以及氧传感器的输出电压信号，通过压力信号转换模块、温度信号转换模块将压力传感器及温度传感器的电流信号转化为电压信号并且放大后作为补偿信号输出，氧传感器的输出电压信号通过氧信号放大模块进行放大后作为氧信号输出，将补偿信号以及氧信号通过模数转换模块变为数字量并输送给MCU处理器模块，MCU处理器模块对其进行计算以及数据处理，对氧信号进行温度压力补偿，以校准氧传感器的测量精度；应用本实用新型，可以使氧传感器在温度和压力变化的情况下测得的数值通过温度压力补偿，得到准确的氧含量数值，从而提高氧传感器测量的准确度。
本实用新型的氧信号放大模块采用精密仪表放大器INA128，保证了电路的高精度和低功耗，且INA128芯片采用SO-8封装，工作温度范围为﹣40至+85℃，可以保证芯片在极端工作温度条件下具有温度稳定性，从而进一步提高氧传感器测量的准确度。
附图说明
图1为本实用新型的流程框图；
图2为本实用新型中压力传感器信号输入模块以及压力信号转换模块的电路原理图；
图3为本实用新型中温度传感器信号输入模块以及温度信号转换模块的电路原理图；
图4为本实用新型中氧传感器信号输入模块以及氧信号放大模块的电路原理图；
图5为本实用新型中模数转换模块的电路原理图；
图6为本实用新型中MCU处理器模块的电路原理图；
图7为本实用新型中电源转换模块的电路原理图。
具体实施方式
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。
参考图1，本实用新型包括压力传感器信号输入模块、压力信号转换模块、温度传感器信号输入模块、温度信号转换模块、氧传感器信号输入模块、氧信号放大模块、模数转换模块以及MCU处理器模块以及显示屏（图中未标出），压力传感器信号输入模块、温度传感器输入模块以及氧传感器信号输入模块，分别采集压力传感器、温度传感器的输出电流信号和氧传感器的输出电压信号，通过压力信号转换模块、温度信号转换模块将电流信号转化为电压信号并且放大后输出补偿信号，氧信号放大模块接收氧传感器的输出电压信号并进行放大后输出氧信号，氧信号为传感器输出的与氧气浓度相关的电信号，将补偿信号以及氧信号通过模数转换模块由模拟量变为数字量，数字量信号输送给MCU处理器模块并对其进行计算以及数据处理，对氧信号进行温度压力补偿，补偿后的结果于显示屏显示。
本实用新型实施例采用温度传感器YGM105和压力传感器YGM207采集所需温度值和压力值，用于进行补偿计算；压力传感器YGM207输出4～20mA电流信号，对应0～100kPa；温度传感器YGM105输出4～20mA电流信号，对应-20～100℃；氧传感器型号为PM1158-H，输出信号为0～100mV，对应0～10%氧含量。
参考图2，压力传感器信号输入模块包括引入电流信号IN3和电阻R125，采集压力传感器YGM207的输出电流信号，压力信号转换模块包括二极管D101和D102、电容C111、极性电容E111、采样电阻R121以及运算放大器U103A，4～20mA电流信号经过100Ω采样电阻之后转变为0.4～2V电压信号，并进入运算放大器U103A中进行放大处理作为压力补偿信号输出。
参考图3，温度传感器信号输入模块包括引入电流信号IN2和电阻R225，采集温度传感器YGM105的输出电流信号，温度信号转换模块包括二极管D201和D202、电容C211、极性电容E211、采样电阻R221、以及算放大器U203A，4～20mA电流信号经过100Ω采样电阻之后转变为0.4～2V电压信号，并进入运算放大器U203A中进行放大处理作为温度补偿信号输出。
参考图4，氧传感器信号输入模块包括引入电压信号Vin、电阻R2、R3、R4a以及R4b,电容C9和C10，采集氧传感器PM1158-H的输出电压信号，氧信号放大模块把电压信号送入精密仪表放大器进行信号放大处理，再经过二级运算放大器处理后输出氧信号，氧传感器信号输入模块包括精密仪表放大器INA128，运算放大器LM258以及TLC2262，高精度低温漂电阻RG1、R14、R15、R16、R17、R18以及R20，电容C11、C12、C13、C14、C15以及C16,运算放大器U2B以及U3B，0～100mV的氧信号经过INA128精密仪表放大器，输出0～1.1V，叠加TLC2262的零点输入电压156mV，再经过二级运算放大器LM258后，输出氧信号0.156V～1.256V。核心器件采用的精密仪表放大器INA128，具有非常低的偏置电压（50μV），极低的温度漂移（0.5μV/℃），低输入偏置电流（5nA），高共模抑制比（最低120dB），功耗低，静态电流为700μA，保证了电路的高精度和低功耗。INA128芯片采用SO-8封装，工作温度范围为﹣40至+85℃，可以保证芯片在极端工作温度条件下具有温度稳定性。
参考图5，模数转换模块包括多路开关CD4051、模数转换器ADS1110、电阻R229和R230、电容C215和运算放大器U205A及U205B，氧信号，温度、压力补偿信号经多路开关CD4051，顺序选通进入ADS1110，转换为I2C信号，以进入MCU处理器模块。模数转换模块的核心器件是TI公司的模数转换器ADS1110，ADS1110 是精密的连续自校准模/数转换器，带有差分输入和高达 16 位的分辨率，片内基准精度 ±2.048+0.05%，温度漂移 5ppm/℃，单周期转换，可编程的数据速率15SPS~240SPS，低电流消耗 240μA，封装为小型 SOT23-6，保证了高精度的数据转换和低功耗。
参考图6，MCU处理器模块包括单片机STC12C5608AD、晶体振荡器XT3、电阻R201、电容C203和C204以及显示屏（图中未标出），晶体振荡器XT3的频率为4M，显示屏连接到单片机的输出端。传感器所得氧信号、温度和压力补偿信号送入单片机STC12C5608AD内进行计算及数据处理，运用线性补偿和多项式拟合曲线算法对氧信号进行温度和压力补偿，以校准氧传感器的测量精度，补偿后的结果于显示屏显示。MCU处理器模块的核心器件是宏晶科技的单片机STC12C5608AD，具有增强型8051内核，工作时钟频率可以达到12MHz，保证电路的低功耗。
参考图7，电源转换模块中主要包括1个LM317、1个UA7805、1个TPS60400、1个MC1403B芯片，芯片LM317对电路进行限流125mA，芯片UA7805将+24V电压转变为+5V输出，用于INA128精密仪表放大器，LM258运算放大器，TLC2262运算放大器，单片机STC12C5608AD，多路开关CD4051，模数转换器ADS1110的正端供电；芯片TPS60400将输入+5V电压转变为-5V输出，用于INA128，LM258和TLC2262的负端供电；MC1403B将+5V电压转变为+2.5V输出，用于TLC2262运算放大器的正端供电；以上芯片的设置为了满足电路中不同元器件正常工作的供电需求。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (9)
1.一种传感器温度压力补偿电路，其特征在于，包括：压力传感器信号输入模块，用于采集压力传感器的输出电流信号并输送给压力信号转换模块，压力信号转换模块将所接收的电流信号转化为电压信号并放大后作为压力补偿信号输出至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
温度传感器信号输入模块，用于采集温度传感器的输出电流信号并输送给温度信号转换模块，温度信号转换模块将所接收的电流信号转化为电压信号并放大后作为温度补偿信号输出至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
氧传感器信号输入模块，用于采集氧传感器的输出电压信号并输送给氧信号放大模块，氧信号放大模块具有精密仪表放大器以及运算放大器，氧信号放大模块将所接收的电压信号放大后输送至模数转换模块，经模数转换后送入MCU处理器模块进行处理；
MCU处理器模块，对转换后的数字量信号进行计算以及数据处理，以对氧信号进行温度压力补偿；
以及为所述电路供电的电源转换模块。
2.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述压力信号转换模块包括采样电阻R121以及运算放大器U103A，电流信号经过采样电阻R121之后转变为电压信号并经过运算放大器U103A进行放大。
3.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述温度信号转换模块包括采样电阻R221以及运算放大器U203A，电流信号经过采样电阻R221之后转变为电压信号并经过运算放大器U203A进行放大。
4.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述氧信号放大模块的精密仪表放大器为INA128以及TLC2262，运算放大器为LM258，输出电压信号经过INA128精密仪表放大器进行放大，叠加TLC2262的零点输入电压，再经过二级运算放大器LM258后，输出氧信号。
5.根据权利要求4所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述精密仪表放大器INA128芯片采用SO-8封装，工作温度范围为﹣40至+85℃。
6.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述模数转换模块包括多路开关CD4051和模数转换器ADS1110，氧信号和温度、压力补偿信号经多路开关CD4051，顺序选通进入模数转换器ADS1110，转换为I2C信号。
7.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述MCU处理器模块包括单片机STC12C5608AD、晶体振荡器XT3，氧信号、温度和压力补偿信号送入单片机STC12C5608AD内进行数据处理，对氧信号进行温度压力补偿。
8.根据权利要求1所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述电源转换模块的输出包括+24V输出、+5V输出、+2.5V输出以及-5V输出。
9.根据权利要求8所述的传感器温度压力补偿电路，其特征在于：所述电源转换模块包括芯片LM317、芯片UA78M05、芯片TPS60400以及芯片MC1403B，芯片LM317对电路进行限流，芯片UA78M05将+24V电压转变为+5V输出，芯片TPS60400将输入+5V电压转变为-5V输出，芯片MC1403B将+5V电压转变为+2.5V输出。
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