CN2527988Y - 温度振动数模复合传感器 - Google Patents

Abstract

一种温度振动数模复合传感器，传感器壳体内封装有数字温度敏感器件和压电晶片及电路板，其特征是电路板含有电源电路、阻抗变换电路、自举偏置电路、增益控制电路和电压电流转换电路，传感器以数字方式和电流方式及三线制实现温度信号、振动信号、自动控制信号和电源的输入输出，具有抗干扰能力强、频率响应好和便于传感器灵敏度调节等的归一化处理的优点，较现有技术有更高的可靠性和性能价格比。

Description

温度振动数模复合传感器

本实用新型属于温度振动复合传感器，特别涉及一种进行温度数字测量与振动模拟测量的复合传感器。

为了保障机器的安全运转，现代机器都需要对机器进行温度、振动等某些参数的检测，因此除使用各种单参数传感器外，为满足对同一检测点进行多参数检测的要求，近年来，又出现了复合传感器，同时进行多种物理量的检测，如专利号为ZL98230752.6的振动和温度“复合传感器”，又如美国PCB公司的T0601系列“温度、加速度双输出型传感器”，是一种内部装有电子调理器的、以电压方式输出温度和振动信号的、3线制的传感器。

上述的复合传感器中的温度和振动检测输出均为模拟输出，其缺点之一是温度检测精度和价格受到温度检测敏感器的制约，如应用AD590时，廉价的存在着较大的非线性、零位误差和灵敏度误差，难以达到检测精度要求；精度满足要求的价格昂贵；同时模拟输出的温度敏感器件的信号均未能对非线性、零位误差和灵敏度误差进行修正。缺点之二在于振动输出信号或者是电荷方式，抗干扰能力较差；或者是电压方式，需要提高供电电压，以增强抗干扰能力，并且信号远传的频率响应差。

为了解决温度检测模拟输出存在的上述问题，半导体器件制造厂商推出了以半导体能隙技术敏感温度的、在同一硅片上带有对敏感器件的零点、灵敏度和非线性误差进行修正的微处理器的、以单线数字通信输入控制指令和输出检测数据的、以三线制方式工作的单温度参数传感器，如DS18B20。但是尚未见有以数字温度敏感器件与模拟振动敏感器件复合的传感器面世。

本实用新型的任务，在于设计一种同时检测温度与振动的、以数字温度敏感器件与模拟振动敏感器件复合的、可在低电压下工作、3线制传输信号、抗干扰能力强、信号远传的频率响应优于现有技术的温度、振动复合传感器。

本实用新型是以如下方式实现的。

传感器含有由底座1，顶盖2组成的传感器壳体，壳体内封装有数字式温度传感器件3，模拟振动敏感器件——压电晶片4，电路板5和三线制输出输入电缆6，温度、振动敏感器件3、4，电缆6以接线端子与电路板实现相应的电联结，温度敏感器件以数字方式输出温度信号，采用电流方式输出振动信号，以提高输出振动信号的抗干扰能力和频率响应性能，并实现3线制信号传输。为此电路板电路除有用于对本电路板各电路合理供电、对增益控制电路进行置数控制的电源电路101外，其特征在于还含有用于将振动敏感器件的电荷信号转换为电压信号的阻抗变换器102，用于提高振动敏感器件的偏置阻抗以保障低频响应的自举偏置电路103，用于对非归一化的振动敏感器件的信号进行放大以调整灵敏度到一致的增益控制电路104和将振动电压信号转换为电流信号并通过公用虚地线G输出的电压电流转换电路105；

供给传感器的正电源从H端进入传感器，接至电压电流转换电路105、阻抗变换电路102和电源电路101的VDD端；电源电路101输出的VCC端经E端接温度敏感器件3的电源端，还接自举偏置电路103的VCC端、增益控制电路104的VCC端；为了在振动校准时对增益控制电路的增益进行加减置数，电源电路101的控制端CL，接到增益控制电路104的时钟端/NC；

为了使温度敏感器件随时可以输出温度数字信号，数字IO信号经过F端，接到数字式温度敏感器件3的数字IO信号的D端，为了在振动校准时对增益控制电路的增益进行加减控制，数字IO信号还接到增益控制电路104的U/D端；

温度敏感器件3的地线经C端、振动敏感器件4的一端经B端、自举偏置电路103的地线V-、增益控制电路104的地线VSS、阻抗变换电路102的地线VSS、电压电流转换电路105的地线VSS和其+输入端接其传感器虚地M；

为了将振动敏感器件产生的正比于所敏感的振动的电荷在其接线片之间的电容上所产生的高内阻抗的电压变为低输出阻抗的电压，自举偏置电路103的高阻偏置端Z和振动敏感器件4的A端并接到具有很高输入阻抗的阻抗变换器102的+输入端；为了调整振动灵敏度和将振动电压信号转换为电流信号输出，阻抗变换电路102的输出端O1接到增益控制电路104的模拟输入端HH，及电压电流转换电路105的“-”输入端；为了实现增益控制，增益控制电路104的模拟输出端WL接到阻抗变换电路102的负输入端“-”，为了通过自举技术提高自举偏置电路103的高阻偏置端Z的视在阻抗，增益控制电路104的模拟输出端WL还接到自举偏置电路103的反馈端FF；电压电流转换电路105的输出端O作为虚地接到本传感器的模拟电路输出端G。

本温度振动数模复合传感器在一个传感器内部同时以温度高精度数字敏感器件检测温度和带有归一化模拟电路处理振动敏感器件的信号，并仅用3条线对传感器供电、以TTL电平的数字方式传输温度数据和以电流方式传输振动信号，实现了本实用新型的目的，并具有高可靠性和性能价格比高的优点。

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1：本实用新型一实施例的机械结构简图；

图2：本实用新型方案的电路结构框图；

图3、图4、图5、图6：分别为本实用新型实施例电路结构图。

图1中示出了压电晶片4，用螺钉7通过质量块8，上下绝缘片9，上、下引电片10压装在底座1上，上、下引电片上用导线焊接，另一端分别对应焊接到电路板的A、B端上；温度敏感器件3压装入底座1的对应安装孔中，其引线在电路板上对应的焊接孔C、D、E中穿出，并焊接于C、D、E孔，电路板用螺钉11紧固在底座1上。带插头的三线电缆6通过电缆夹具12安装到顶盖2上，将电缆位于顶盖内侧的三条线焊接于电路板上的F、G、H端口，底座与顶盖配合面上涂密封胶，然后用螺钉13将顶盖与底座连接，再锁紧电缆夹具。

图3所示传感器是实施例一的电路结构，其特征是电源电路101的输入端VDD与其输出VCC端短接，其实质是传感器内省去了电源电路；用运放N1构成阻抗变换器102，电阻器R1～R4组成自举偏置电路103，增益控制电路104简化为电阻器RN，其两端分别为该电路的模拟输入、输出端HH、WL，电阻器R7～R9和运放N2组成电压电流转换电路105。由于相应省去了电源电路，因此数字式温度敏感器件3的电源端经过端子E，接到了正电源输入端H；自举偏置电路103的电阻器R1的一端作为该电路的VCC端接正电源输入端H，另一端接电阻器R2，R2的另一端接传感器虚地M，电阻器R1、R2的公共连接端并接电阻R4、R3的一端，R4的另一端即是本电路的高阻偏置端Z，Z端接到振动敏感器件4的A端和阻抗变换器N1的“+”输入端；电阻器R3的另一端即是该电路的反馈端FF，接到阻抗变换器N1的“-”输入端和增益控制电路104的模拟输出WL端；运放N1构成阻抗变换器102，其“+”“-”输入端、输出端O1、电源端VDD、地线端VSS即是阻抗变换器的相应端口，并接向其应与连接的端口处；电压电流转换电路105的电阻器R7的一端就是该电路的“-”输入端，接到阻抗变换器的输出端O1，另一端接运放N2的“-”输入端，还接到电阻器R8的一端，电阻器R8的另一端接到本电压电流变换器的输出端O；电阻器R9的一端就是本电压电流转换器的、也是本电路板的传感器虚地M，另一端接本电压电流转换器的输出端O；运放N2的电源端VDD就是该电路的VDD端，接本电路板的电源输入端H，N2的输出端O2接到其电源端VDD或经过一个二极管V1接到VDD，N2的电源端VSS和正输入端“+”接到电路板的传感器虚地M。

为了免除了振动测量模拟电路需要增设连接线的缺点，本电路的全部工作电流I在R9上的压降，设计得远小于数字电路的逻辑低电平，当模拟输出端G在后续仪器输入端接虚地或经过小阻值开关接仪器的虚地时，不影响数字电路的逻辑低电平，从而将数字式温度敏感器件3的地线C设计为通过电阻器R9和模拟输出端G接出。

为了使得振动检测电路N1有足够大的动态范围进行振动测量，振动检测电路N1的输入端由R1、R2偏置在比传感器虚地高而比电源电压VCC低的电平上，该点电平距离正电源VCC和传感器虚地的电压绝对值大于所需动态范围的峰值电压与运放N1的饱和电压之和。

由于需要通过调整RN，由N1将压电晶片的电荷在引电片之间的电容上所产生的电压，以公式{X＝RN/[R3+(1/R2+1/R1)^-1]+1}实现放大，而又不影响N1输出端的工作点(等于R1、R2的分压)，并将R4的视在阻抗提高到[1+(1/R2+1/R1)^-1/R3]倍以改善低频响应，故此电路将器件R1、R2、R3、RN连接为如上所述的R3的一端接R1、R2的连接点，另一端接N1的负输入端，RN接N1的负输入端与输出端之间；压电晶片通过引电片和端子A、B接在N1的正输入端和传感器虚地M之间。

图4所示是传感器的实施例二电路结构。为了进一步改善低频响应，需要提高自举偏置电路的偏置端Z对外的交流阻抗，其特征在于其自举偏置电路在实施例一的基础上增加了电阻器R5、R6和电容器C1，R5串联在R4与高阻偏置端Z之间，R4、R5的连接点接电容器C1的一端，C1的另一端接R6，R6的另一端接该电路的反馈端FF。

图5所示是传感器的实施例三的电路结构。为了进一步提高模拟电路的动态范围，需要增大H端供给的正电源幅度而又不超过数字式温度敏感器件3的允许电压，其特征是电源电路101在实施例二的基础上增加了稳压管W，而自举偏置电路103省去电阻器R2，稳压值等于H端电压VDD与温度敏感器件3的允许电压之差的稳压管W的正端作为该电路的VDD端，接电路板5的正电源端子H，W的负端作为该电路的VCC接温度敏感器件3的电源端E和自举偏置电路103的电阻器R1的一端。

图6所示是传感器实施例四的电路结构。为了实现振动测量灵敏度的数控归一化调节，使所有的传感器在经过校准后有基本相同的灵敏度从而保障互换性，其特征是在实施例三的基础上，增益控制电路104用非易失性数字电位计POT(如具有64档抽头的X9C104)取代电阻器RN，电源电路101增加二极管V和电容器C2；数字电位计POT的电位计W和L端连接作增益控制电路104的WL端，数字电位计POT的电位计HH端作增益控制电路104的HH端，POT的VSS端作为增益控制电路的VSS端接传感器虚地M，POT的正电源端VCC作为增益控制电路的VCC端接电源电路101的VCC端，POT的/NC端作为增益控制电路的/NC端，POT的/CS端(片选端)接其VSS端，POT的U/D端作为增益控制电路的U/D端，接电路板10的F端；电源电路101的二极管V串联在VCC与W的负端之间，其正端与W的连接点就是电源电路的控制端CL，接到自举偏置电路103的/NC端，其负端就是电源电路的输出端VCC，电容器C2的正端接VCC，负端接传感器虚地M。

当传感器进行振动校准而需要调整POT的电位计的WL和HH端间的电阻时，可在F端为高、低电平的时候实现电位计加、减控制，通过H端发送低电平占空比不大于1/5的、频率尽可能高的脉冲进行操作，所发的脉冲数等于需要加、减的数字电位计档数。该电位计通过上述调整后，数据保持不变。

本传感器所涉及的数字式温度敏感器件可以是以IC方式接口的温度敏感器件，如DS18B20，也可以是以PWM方式输出的温度敏感器件，如TMP04。

Claims (5)

1.一种温度振动数模复合传感器，含有由底座(1)，顶盖(2)组成的壳体，壳体内封装有数字式温度敏感器件(3)，模拟振动敏感器件——压电晶片(4)，电路板(5)和三线制输出输入电缆(6)，温度振动敏感器件(3)、(4)，电缆(6)以接线端子与电路板(5)实现相应的电联结；电路板电路除有电源电路(101)外，其特征是含有阻抗变换电路(102)、自举偏置电路(103)、增益控制电路(104)和电压电流转换电路(105)；供给传感器的正电源从H端子进入传感器，接至电压电流转换电路(105)、阻抗变换电路(102)和电源电路(101)的VDD端；电源电路(101)输出的VCC端经E端子接温度敏感器件(3)的电源端和自举偏置电路(103)、增益控制电路(104)的VCC端；电源电路(101)的控制端CL接到增益控制电路(104)的时钟端/NC，自举偏制电路(103)的高阻偏置端Z和振动敏感器件(4)之A端并接到阻抗变换电路(102)的正输入端；阻抗变换电路(102)的输出端O1接增益控制电路(104)的模拟输入端HH，还接到电压电流转换电路(105)的负输入端；增益控制电路(104)的模拟输出端WL接自举偏置电路(103)的反馈端FF和阻抗变换电路(102)的负输入端；电压电流转换电路(105)的输出端O作为虚地接到本传感器的模拟电路输出端G。

2.按权利要求1所述的温度振动数模复合传感器，其特征是电源电路(101)的输入端VDD与输出端VCC短接；用运放N1构成阻抗变换电路(102)；电阻器R1~R4组成自举偏置电路(103)；增益控制电路(104)简化为电阻器RN，其两端分别为该电路的模拟输入输出端HH、WL；电阻器R7~R9和运放N2组成电压电流转换电路(105)；数字式温度敏感器件(3)的电源端经端子E接到了正电源输入端H，自举偏置电路(103)的电阻器R1的一端作为该电路的VCC端接正电源输入端H，另一端接电阻器R2，R2的另一端接传感器虚地M；R1、R2的公共连接端并接电阻R3、R4、的一端，R4的另一端是本电路的高阻偏置端Z，Z端接到振动敏感器件(4)的A端和阻抗变换器N1的“+”输入端；电阻器R3的另一端即是该电路的反馈端FF，接到阻抗变换器N1的“-”输入端和增益控制电路104的模拟输出WL端；运放N1的“+”“-”输入端、输出端O1、电源端VDD、地线端VSS即是阻抗变换器的相应端口，并接向其应与连接的相应端口处；电压电流转换电路(105)的电阻器R7的一端接到运放N1的输出端O1，另一端接运放N2的“-”输入端和电阻R8的一端，R8的另一端与R9并接到本电压电流变换器的输出端O，R9的另一端接传感器的虚地M；运放N2的VDD接电源输入端H，N2的输出端O2接到其电源端VDD或经过一个二极管V1接到VDD，N2的地线端VSS和“+”输入端接传感器虚地M。

3.按权利要求2所述的温度振动数模复合传感器，其特征在于其自举偏置电路还含有电阻器R5、R6和电容器C1，R5串联在R4与高阻偏置端Z之间，R4、R5的连接点接电容器C1的一端，C1的另一端接R6，R6的另一端接该电路的反馈端FF。

4.按权利要求3所述的温度振动数模复合传感器，其特征是电源电路(101)含有稳压管W，而自举偏置电路(103)省去电阻器R2，稳压值等于H端电压VDD与温度敏感器件(3)的允许电压之差的稳压管W的正端作为该电路的VDD端，接电路板(5)的正电源端子H，W的负端作为该电路的VCC接温度敏感器件(3)的电源端E和自举偏置电路(103)的电阻器R1的一端。

5.按权利要求4所述的温度振动数模复合传感器，其特征是增益控制电路(104)用非易失性数字电位计POT取代电阻器RN，电源电路(101)还含有二极管V和电容器C2；数字电位计POT的电位计W和L端连接作增益控制电路(104)的WL端，数字电位计POT的电位计HH端作增益控制电路(104)的HH端，POT的VSS端作为增益控制电路的VSS端接传感器虚地M，POT的正电源端VCC作为增益控制电路的VCC端接电源电路(101)的VCC端，POT的/NC端作为增益控制电路的/NC端，POT的/CS端(片选端)接其VSS端，POT的U/D端作为增益控制电路的U/D端，接电路板(5)的F端；电源电路(101)的二极管V串联在VCC与W的负端之间，其正端与W的连接点就是电源电路的控制端CL，接到自举偏置电路(103)的/NC端，其负端就是电源电路的输出端VCC，电容器C2的正端接VCC，负端接传感器虚地M。

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