KR100238390B1 - Temperature compensation circuit for pressure sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것으로서, 특히 유압이나 공기압 또는 가스압을 측정하는데 사용되는 압력 센서에서 정확한 압력을 측정하기 위해, 4개의 스트레인 게이지로 구성되는 브리지의 출력 임피던스를 연산 증폭기의 입력 저항으로 이용하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서, 스트레인 게이지의 출력 임피던스 일단이 2개의 연산 증폭기 비반전 단자에 각각 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력 전압이 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 상기 연산 증폭기, 금속 박막 저항 및 감온 저항을 통해 다음 단 연산 증폭기의 반전 단자에 연결되어 상기 연산 증폭기를 통해 출력되며, 다시 출력 전압은 증폭용 저항을 통해 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항을 거쳐 브리지의 +단자에 입력되는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하여, 온도의 변화에 따라 스트레인 게이지의 저항이 변화하더라도 정확하게 온도 보상된 전압을 출력시키고 온도 보상 범위의 제약을 받지 않는 센서의 온도 보상 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature compensation circuit of a pressure sensor. In particular, the output impedance of a bridge composed of four strain gauges is measured by inputting an operational amplifier to measure an accurate pressure in a pressure sensor used to measure hydraulic pressure, air pressure or gas pressure. In the temperature compensation circuit of a pressure sensor used as a resistor, one end of an output impedance of a strain gauge is connected to two op amp non-inverting terminals, and the output voltage of the op amp is fed back to an inverting terminal of the op amp so that the op amp, It is connected to the inverting terminal of the next stage op amp through the metal thin film resistor and the thermosensitive resistor, and is outputted through the op amp. The output voltage is fed back to the inverting terminal of the op amp through the amplifying resistor, and is then passed through the level shift resistor to Of the pressure sensor input to the + terminal Compensation circuit to provide, even if the resistance of the strain gauge changes in response to changes in temperature related to the accurate temperature-compensated voltage output and the sensor is independent of the temperature compensation range temperature compensation circuit.

Description

압력 센서의 온도 보상 회로Temperature compensation circuit of pressure sensor

본 발명은 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차의 유압이나 공기압 또는 산업용 유체의 가스압을 측정하는데 사용되는 압력 센서에서 온도 변화에 무관하게 정확한 압력을 측정하기 위해 증폭용 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시키는 스팬(span) 온도 보상법으로 압력 센서의 온도 변화를 보상하는 압력 센서의 온도 보상 회로에 관한 것이다.The present invention relates to a temperature compensation circuit of a pressure sensor, and more particularly to an amplification operational amplifier for measuring an accurate pressure irrespective of temperature change in a pressure sensor used for measuring a hydraulic pressure, an air pressure, or a gas pressure of an industrial fluid of an automobile. A temperature compensation circuit of a pressure sensor for compensating for a change in temperature of a pressure sensor by a span temperature compensation method for feeding back a gain resistance to temperature compensation.

압력 센서는 자동차의 유압이나 공기압 또는 산업용 유체의 가스압을 측정하는데 사용되는 계기로 압력 센서의 수감부에는 비교적 좁은 면적에 4개의 스트레인 게이지가 부착되어 있고 공간적으로 밀폐된 경우도 많으므로 동작시 차폐 발열을 고려해야만 한다.The pressure sensor is used to measure the hydraulic, pneumatic or gas pressure of industrial fluids in automobiles. The pressure sensor's receiver has four strain gauges in a relatively small area and is often sealed in space, so it generates shielding heat during operation. It must be considered.

여기에서 스트레인 게이지(strain gauge)란 변형 게이지라고도 하며 금속 또는 반도체의 저항체에 압력이 가해지면 저항값이 변화하는 압력 저항 효과를 이용한 것이다.The strain gauge is also referred to as a strain gauge and uses a pressure resistance effect in which the resistance value changes when a pressure is applied to a resistor of a metal or a semiconductor.

이러한 압력 센서는 정격 압력을 인가하였을 때 정격 출력으로 전압 또는 전류가 출력되는 것으로 똑같은 압력을 인가하더라도 온도 변화에 따라 출력 전압 또는 전류가 일정하지 않고 변화하기 때문에 이러한 온도 변화에 무관하게 정확한 유압이나 공기압을 측정해야 하는 문제가 대두되었으며 이러한 문제의 해결책으로 압력 센서의 수감부에 온도 보상 회로를 삽입하여 똑같은 압력의 인가시에는 온도 변화에 따른 전압 또는 전류의 출력을 일정하게 하였다.The pressure sensor outputs voltage or current at the rated output when the rated pressure is applied. Even though the same pressure is applied, the output voltage or current is not constant according to the temperature change. As a solution to this problem, a temperature compensation circuit was inserted into the receiver of the pressure sensor to make the output of voltage or current according to temperature change constant when the same pressure was applied.

종래의 이러한 온도 보상 방식을 첨부된 도면 제1도 및 제2도를 참고로 하여 살펴보면 다음과 같다.The conventional temperature compensation scheme will be described with reference to FIGS. 1 and 2 of the accompanying drawings.

제1도, 제2도는 종래 온도 보상 회로도이다.1 and 2 are conventional temperature compensation circuit diagrams.

제1도는 4개의 스트레인 게이지(G1,G2,G3,G4)를 상호 접속하여 구성되는 브리지(10)를 평형시키는 감온 저항(R5a,R5b) 삽입에 의한 온도 보상 방식으로 보다 넓은 온도 보상을 원할 경우에 감온 저항(R5a,R5b)값을 크게 해야 되고 감온 저항(R5a,R5b)값을 크게 하면 브리지(10)의 입력 임피던스 증가를 초래하게 되는 단점이 있다.FIG. 1 is a case where a wider temperature compensation is required by a temperature compensation method by inserting the thermal resistances R5a and R5b to balance the bridge 10 formed by interconnecting four strain gauges G1, G2, G3 and G4. The thermosensitive resistors R5a and R5b have a large value, and the thermosensitive resistors R5a and R5b have a large value, resulting in an increase in the input impedance of the bridge 10.

이를 상세히 설명하면 입력 전압(Vs)이 리정하더라도 온도가 변하면 온도에 따라 브리지(10)의 스트레인 게이지(G1,G2,G3,G4) 저항값이 변하여 똑같은 압력을 측정하더라도 출력 전압(Vo)이 변하게 되어 결국은 정확한 압력을 측정할 수 없게 된다.In detail, even if the input voltage Vs is determined, the resistance value of the strain gauges G1, G2, G3, and G4 of the bridge 10 changes depending on the temperature so that the output voltage Vo changes even when the same pressure is measured. Eventually, the exact pressure cannot be measured.

즉, 온도가 변하면 스트레인 게이지(G1,G2,G3,G4) 저항값이 증가하게 되고 따라서 출력 전압(Vo)도 증가하게 된다.That is, when the temperature changes, the resistance values of the strain gauges G1, G2, G3, and G4 increase, and thus the output voltage Vo also increases.

이를 방지하기 위하여 브리지(10)의 입력에 감온 저항(R5a,R5b)을 삽입하면 온도가 상승한 만큼 감온 저항값(R5a,R5b)이 일정 비율로 상승하게 되고 이에 의해 전압 강하가 일어나 조정 전압(V2)이 감소하게 되어 출력 전압(Vo)이 일정하게 됨으로써 온도 보상이 되는 것이다.In order to prevent this, when the thermal resistance resistors R5a and R5b are inserted into the input of the bridge 10, the temperature-sensitive resistance values R5a and R5b rise at a constant rate as the temperature increases, thereby causing a voltage drop to cause the adjustment voltage (V). 2 ) is reduced so that the output voltage (Vo) is a constant temperature compensation.

제2도는 브리지(10)의 스트레인 게이지 출력 임피던스를 즉 스트레인 게이지의 테브난 등가 저항을 연산 증폭기(A1)의 입력 저항으로 이용하는 신호 증폭 회로 방식으로 온도에 의해 압력 센서의 출력 테브난 저항이 변동되는 관계로 일률적인 연산 증폭기(A1)의 게인(gain)을 보장받을 수 없는 단점이 있다.FIG. 2 is a signal amplification circuit method using the strain gauge output impedance of the bridge 10, that is, the strain gauge's Thevenin equivalent resistance as the input resistance of the operational amplifier A1, so that the output thevenin resistance of the pressure sensor varies with temperature. There is a disadvantage in that the gain of the uniform operational amplifier A1 cannot be guaranteed.

미설명 부호 R6,R7은 피드백 저항이다.Reference numerals R6 and R7 are feedback resistors.

이러한 단점을 고려하면 상기 종래의 온도 보상 방식은, 온도 보상 범위가 적고 그 오차가 커서 고정밀급 압력 센서에 사용되는 경우 제약을 받게 되는 문제점이 있었다.In consideration of these disadvantages, the conventional temperature compensation method has a problem in that the temperature compensation range is limited and the error is large, so that the temperature compensation method is restricted when used in a high-precision pressure sensor.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제공하고자 하는 목적은 간단한 회로로 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시켜 주위 온도가 변화하더라도 그에 따라 정확하게 온도 보상된 전압이나 전류를 출력시키고 온도 보상의 범위의 제약을 받지 않아 결국은 넓은 온도 범위에 걸쳐 정확한 압력을 측정할 수 있는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a simple circuit that feeds a gain resistor of an operational amplifier to temperature compensation so that an accurate temperature compensated voltage or current is output even when the ambient temperature changes. It is to provide a temperature compensation circuit of a pressure sensor that is not limited by the range of temperature compensation and can eventually measure accurate pressure over a wide temperature range.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 4개의 스트레인 게이지로 구성되는 브리지의 출력 임피던스의 일단이 2개의 연산 증폭기 비반전 단자에 각각 연결되고 상기 연산 증폭기의 출력 전압이 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되는 압력센서의 온도 보상 회로에 있어서; 상기 연산 증폭기의 출력 전압이 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 상기 연산 증폭기, 금속 박막 저항 및 감온 저항을 통해 다음 단 연산 증폭기의 반전 단자에 연결되어 상기 연산 증폭기를 통해 출력되며, 다시 출력 전압은 증폭용 저항을 통해 연산 증폭기의 반전 단자로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항을 거쳐 브리지의 +단자에 입력되되, 감온 저항의 온도 계수 α, 압력 센서의 온도 계수 β, 기준 온도와의 온도 차이가 t이고,

Figure kpo00001
일 때, 감온 저항의 기준 온도에서의 값이 β-γρ-γρβt=0인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 온도 보상 회로를 제공하고자 한다.In order to achieve the above object, the present invention is that one end of the output impedance of the bridge consisting of four strain gauges are respectively connected to two op amp non-inverting terminals, and the output voltage of the op amp is fed back to the inverting terminal of the op amp. In the temperature compensation circuit of the pressure sensor being; The output voltage of the operational amplifier is fed back to the inverting terminal of the operational amplifier and connected to the inverting terminal of the next stage operational amplifier through the operational amplifier, the metal thin film resistor, and the thermal resistance resistor, and is output through the operational amplifier. Is fed back to the inverting terminal of the operational amplifier through the resistance resistor and input to the + terminal of the bridge through the level shift resistance, wherein the temperature coefficient α of the thermal resistance resistor, the temperature coefficient β of the pressure sensor, and the temperature difference from the reference temperature are t,
Figure kpo00001
, A value at the reference temperature of the thermal resistance is β-γρ-γρβt = 0.

제1도는 종래 온도 보상 회로도.1 is a conventional temperature compensation circuit diagram.

제2도는 종래 온도 보상 회로도.2 is a conventional temperature compensation circuit diagram.

제3도는 본 발명에 따른 온도 보상 회로도.3 is a temperature compensation circuit diagram according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

G1,G2,G3,G4 : 스트레인 게이지 A1,A2:연산 증폭기G1, G2, G3, G4: Strain Gauges A1, A2: Operation Amplifiers

R1 : 금속 박막 저항 R2,R5a,R5b : 감은 저항R1: metal thin film resistor R2, R5a, R5b: wound resistance

R3 : 증폭용 저항 R4 : 레벨 쉬프트 저항R3: amplification resistor R4: level shift resistance

Vs : 입력 전압 V2: 조정 전압Vs: the input voltage V 2: adjustment voltage

V1,Vo : 출력 전압 10 : 브리지V 1 , Vo: output voltage 10: bridge

+ : 비반전 단자 - : 반전 단자+: Non-inverting terminal-: inverting terminal

R6,R7 : 피드백 저항R6, R7: feedback resistor

이하 본 발명을 첨부된 도면 3을 참고로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제3도는 본 발명에 따른 온도 보상 회로도이다.3 is a temperature compensation circuit diagram according to the present invention.

먼저 본 발명의 기본적인 구성을 살펴보면, 4개의 스트레인 게이지(G1,G2,G3,G4)로 구성되는 브리지(10)의 출력 임피던스의 일단이 2개의 연산 증폭기(A1,A2) 비반전 단자(+)에 각각 연결되고 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압이 연산 증폭기(A1,A2)의 반전 단자(-)로 피드백되는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서; 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압(V1)이 연산 증폭기(A1)의 반전 단자(-)로 피드백되어 상기 연산 증폭기(A1), 금속 박막 저항(R1) 및 감온 저항(R2)을 통해 다음 단 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)에 연결되어 상기 연산 증폭기(A2)를 통해 출력되며, 다시 출력 전압(Vo)은 증폭용 저항(R3)을 통해 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항(R4)을 거쳐 브리지(10)의 +단자(V+)에 입력되되, 감온 저항(R2)의 온도 계수 α, 압력 센서의 온도 계수 β, 기준 온도와의 온도 차이가 t이고,

Figure kpo00002
일 때, 감온 저항(R2)의 기준 온도에서의 값(R20)이 β-γρ-γρβt=0인 것을 특징으로 한다.First, referring to the basic configuration of the present invention, one end of the output impedance of the bridge 10 composed of four strain gauges G1, G2, G3, and G4 has two operational amplifiers A1 and A2. A temperature compensating circuit of a pressure sensor, each connected to and fed back to an inverting terminal (−) of an operational amplifier (A1, A2); The output voltage (V 1 ) of the operational amplifier (A1) is fed back to the inverting terminal (-) of the operational amplifier (A1) through the operational amplifier (A1), the metal thin film resistor (R1) and the thermal resistance resistor (R2) However, it is connected to the inverting terminal (-) of the operational amplifier (A2) and is output through the operational amplifier (A2), and the output voltage Vo is again the inverting terminal of the operational amplifier (A2) through the amplification resistor (R3) -) Is fed back to the + terminal (V + ) of the bridge 10 via the level shift resistance (R4), the temperature coefficient α of the thermal resistance (R2), the temperature coefficient β of the pressure sensor, the temperature with the reference temperature The difference is t,
Figure kpo00002
In this case, the value R20 at the reference temperature of the thermal resistance R2 is β-γρ-γρβt = 0.

여기에서 금속 박막 저항(R1)은 온도 계수 0인 정밀 저항이고, 감온 저항(R2)은 온도 계수가 본 발명에서는 +α인 온도 보상용 저항이며, 연산 증폭기(A1)는 테브난 등가 저항이 즉 브리지(10)의 스트레인 게이지 출력 임피던스가 연산 증폭기(A2)의 이득에 미치는 영향을 제거하기 위한 전압 플로워(voltage follower)이다.Here, the metal thin film resistor R1 is a precision resistor having a temperature coefficient of 0, the thermal resistance R2 is a temperature compensation resistor having a temperature coefficient of + α in the present invention, and the operational amplifier A1 has a Thevenin equivalent resistance, that is, a bridge. A voltage follower for removing the effect of the strain gauge output impedance of 10 on the gain of operational amplifier A2.

또 R4는 증폭용 연산 증폭기(A2)의 동작점을 설정하기 위한 레벨 쉬프트(level shift) 저항이다.R4 is a level shift resistor for setting the operating point of the amplifying operational amplifier A2.

일반적으로 4개의 액티브 스트레인 게이지를 사용한 압력 센서의 출력 전압은 다음 식으로 주어진다.In general, the output voltage of a pressure sensor using four active strain gauges is given by

Figure kpo00003
Figure kpo00003

첨부된 도면 제1도에서 연산 증폭기(A2)의 이득은In FIG. 1, the gain of the operational amplifier A2 is

Figure kpo00004
이므로 출력 전압 Vo은
Figure kpo00004
Since the output voltage Vo is

Figure kpo00005
Figure kpo00005

로 된다.It becomes

만약 압력 센서의 온도가 상승하면 그 출력 전압 Vi이 증가할 것이다.If the temperature of the pressure sensor rises, the output voltage Vi will increase.

그러나, 온도에 따라 감온 저항(R2)의 값도 상승하여 증폭용 연산 증폭기(A2)의 이득은 감소하므로, 식 2에서 온도 상승에 대한 영향은 상쇄되고 온도 보상이 이루어진다.However, since the value of the thermal resistance R2 also increases with temperature, the gain of the amplifying operational amplifier A2 decreases, so that the influence on the temperature rise in Equation 2 is canceled and temperature compensation is performed.

다음, 감온 저항(R2)의 저항값을 설계하는 방법을 살펴보면 다음과 같다.Next, a method of designing the resistance value of the thermal resistance R2 is as follows.

지금 임의의 온도에서 압력 센서의 출력 전압을 V1, 기준 온도에서의 출력 전압을 Vlo라고 하면,Now let's say the output voltage of the pressure sensor at any temperature is V 1 , and the output voltage at the reference temperature is V lo ,

Vl=(1+βt)Vlo(3)V l = (1 + βt) V lo (3)

으로 쓸 수 있다.Can be used as

여기서 β는 압력 센서의 온도 계수, t는 기준 온도와의 온도 차이이다.Β is the temperature coefficient of the pressure sensor, and t is the temperature difference from the reference temperature.

식 2에서 식 3과 감온 저항(R2)의 온도 의존성 R2=R20(1+αt)을 대입해서 정리하면 온도 보상 회로의 출력 전압 Vo는 다음과 같이 된다.In Equation 2, by substituting Equation 3 with the temperature dependence R2 = R20 (1 + αt) of the thermal resistance R2, the output voltage Vo of the temperature compensation circuit is as follows.

Figure kpo00006
Figure kpo00006

여기서 R20은 기준 온도에서 감온 저항(R2)의 값이다.Where R20 is the value of the thermal resistance R2 at the reference temperature.

여기서 편의상

Figure kpo00007
로하여 정리하면For convenience here
Figure kpo00007
If you organize

Figure kpo00008
Figure kpo00008

일반적으로 1≫α이고, 1≫ρ2t2이므로, 식 4를 다시 정리하면In general, it is 1''α and 1''ρ 2 t 2 ,

Figure kpo00009
Figure kpo00009

Figure kpo00010
Figure kpo00010

Figure kpo00011
Figure kpo00011

여기서 편의상 γ를 다음과 같이 정리하면For convenience, γ can be summarized as

Figure kpo00012
Figure kpo00012

식 5는Equation 5

Figure kpo00013
Figure kpo00013

로 되고, 출력 전압이 온도에 무관하게 되기 위해서는 식 5에서In order to make the output voltage independent of temperature,

β-γρ-γρβt=0 (8)β-γρ-γρβt = 0 (8)

의 관계를 만족시키도록 감온 저항(R2)의 기준 온도에서의 값(R20)을 설계하면 된다.What is necessary is just to design the value R20 at the reference temperature of the thermal resistance R2 so that the relationship may be satisfied.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 간단한 회로로 연산 증폭기의 이득 저항을 온도 보상에 피드백시켜 주의 온도가 변화하더라도 그에 따라 정확하게 온도 보상된 전압이나 전류를 출력시키고 온도 보상 범위의 제약을 받지 않아 결국은 넓은 온도 범위에 걸쳐 정확한 압력을 측정할 수 있는 유용한 발명인 것이다.As described above, the present invention is a simple circuit to feed the gain amplifier of the operational amplifier to the temperature compensation, even if the attention temperature changes accordingly outputs the voltage or current accurately temperature compensation accordingly, and is not limited by the temperature compensation range eventually It is a useful invention that can measure accurate pressure over a wide temperature range.

Claims (1)

4개의 스트레인 게이지(G1,G2,G3,G4)로 구성되는 브리지(10)의 출력 임피던스의 일단이 2개의 연산 증폭기(A1,A2) 비반전 단자(+)에 각각 연결되고 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압이 연산 증폭기(A1,A2)의 반전 단자(-)로 피드백되는 압력 센서의 온도 보상 회로에 있어서;One end of the output impedance of the bridge 10, which is composed of four strain gauges G1, G2, G3, and G4, is connected to the two non-inverting terminals (+) of the operational amplifiers A1 and A2, respectively, and the operational amplifier A1. In a temperature compensation circuit of a pressure sensor, in which the output voltage of N) is fed back to the inverting terminals (-) of the operational amplifiers A1 and A2; 상기 연산 증폭기(A1)의 출력 전압(V1)이 연산 증폭기(A1)의 반전 단자(-)로 피드백되어 상기 연산 증폭기(A1), 금속 박막 저항(R1) 및 감온 저항(R2)을 통해 다음 단 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)에 연결되어 상기 연산 증폭기(A2)를 통해 출력되며, 다시 출력 전압(Vo)은 증폭용 저항(R3)을 통해 연산 증폭기(A2)의 반전 단자(-)로 피드백되어 레벨 쉬프트 저항(R4)을 거쳐 브리지(10)의 +단자(V+)에 입력되되,The output voltage (V 1 ) of the operational amplifier (A1) is fed back to the inverting terminal (-) of the operational amplifier (A1) through the operational amplifier (A1), the metal thin film resistor (R1) and the thermal resistance resistor (R2) However, it is connected to the inverting terminal (-) of the operational amplifier (A2) and is output through the operational amplifier (A2), and the output voltage Vo is again the inverting terminal of the operational amplifier (A2) through the amplification resistor (R3) Fed back to the + terminal (V + ) of the bridge 10 via the level shift resistance (R4), 감온 저항(R2)의 온도 계수 α, 압력 센서의 온도 계수 β, 기준 온도와의 온도 차이가 t이고,
Figure kpo00014
일 때, 감온 저항(R2)의 기준 온도에서의 값(R20)이 β-γρ-γρβt=0인 것을 특징으로 하는 압력 센서의 온도 보상 회로.The temperature difference between the temperature coefficient α of the thermal resistance R2, the temperature coefficient β of the pressure sensor and the reference temperature is t,
Figure kpo00014
When the value R20 at the reference temperature of the thermal resistance (R2) is β-γρ-γρβt = 0, the temperature compensation circuit of the pressure sensor.
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