CN100406852C - 多信号调理电路与复合传感器及其后续检测仪 - Google Patents

多信号调理电路与复合传感器及其后续检测仪 Download PDF

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Abstract

多信号调理电路是在一电路基板上布设J个与内部相应连接的接线端子,内部电路有一个将输入各原始信号转换为电压并放大叠加的多信号叠加器和一个将电压信号转换为电流信号输出的电压-电流转换器,以两线制与后续电路连接取得供电和输出,具有供电电压低、多信号原始信息不丢失、远传频响好、抗干扰诸多优点,特别适用于复合传感器的信号调理。已制成厚膜电路器件,使用效果优良。本发明还涉及相应复合传感器检测仪。

Description

多信号调理电路与复合传感器及其后续检测仪
技术领域
本发明设及一种对多个电信号进行调理的电路,特别适合应用于对复合传感器的各敏感器件产生的电压或电流、电荷、电阻等多个信号进行调理,同时还设及相应的后置检测仪。
背景技术
现代检测技术无疑都要对原始电信号进行调理,如非电量电测技术,首先是借助于非电量电测传感器中的敏感器件敏感非电物理量变化所致的电信号,经过相应电路对传感器敏感器件输出的原始电信号作相应调理后输出到检测仪的后续电路,再经有关处理得到所需测量结果。
但现有的非电量电测传感器,多数是无内置信号调理器电路的传感器。由于其信号微弱,信号质量较差,受电缆分布参数影响而不适于远距离传输。当需要远距离传输时,或在有强工业干扰的环境中应用时,更因受外部干扰而导致信号质量严重恶化,因此,人们利用现代电子技术,研制了在传感器内部安装的、用于对传感器的原始信号进行调理、放大,再远距离传输的信号调理器,如美国、丹麦等国家制造的输出电压信号的压电加速度传感器。其内置的两线制电子放大器即是一种单参数的、电压输出的信号调理器。
上述传感器内置的信号调理器缺点之一是对供给调理器的电压量值要求较高,如18V至24V,使多数微型化仪器设计者感到困难;其缺点之二是调理器电路的输出阻抗较高,例如最小的约100Ω,其输出的电压信号在远传时,因为传输电缆的分布电容影响而使高频响应变坏。
为解决远传的抗干扰问题,最近出现的用于加速度传感器的单片集成信号调理器电路,如ADXL05、ADXL105,其内置的调理器电路已将加速度信号整理为直流(DC)电压输出;而ADXL202、ADXL210则将振动信号以PWM(固定频率的脉冲调宽)方式输出。但这样的调理是不保真的,丢失了信号大量的波形、频率等信息,使得后续的仪器、计算机无法利用此信号作振动分析、故障诊断。
为了解决信号调理器的电压传输方式抗干扰能力差的缺陷和需要较高供电电压的问题,出现了传感器内置的电流输出式调理器,如AD590就是一个用能隙原理敏感温度,再将温度信息转换为电流输出的、带有调理器电路的器件;如专利ZL96242733.0所述的“超谐振式声传感器”的调理器就是将压敏器件感受的电荷信号转换为电流输出的调理器电路,其优点是供电电压较低、信号不失真、频率响应好、两线制传输、传输距离远;
但是,随着能检测多种物理量的“复合传感器”的出现,如专利ZL98230758.6所述的“复合传感器”,则已有的各种传感器内置调理器电路均不能满足使用,因为它们只能适应检测一种物理量的传感器。特别是这种复合传感器用于飞机、车辆、舰船中时,已有的信号传输电缆多数是铠装的、不具备抗干扰的能力的电缆,因此需要有能抗干扰的、允许以两线制方式应用简单电缆远传的传感器内置的多信号调理电路来支持这种复合传感器及其信号远传的需要。
发明内容
本发明的任务是,设计一种低电压供电的,可供复合传感器应用的,能对复合传感器各敏感器件产生的,有一定频率、脉宽差别的多个交直流原始信号或满足上述要求的其它来源的多个电信号转换为电压信号、放大、叠加,最终转换为一复合电流信号的,以两线制与检测仪器连接取得供电和输出的;并且输出的电流信号包含有各个原始信号的信息内容而不致丢失的,并可经后接的检测仪器相应电路的处理,能将此复合电流信号还原并分离出表征各原始信息内容的电压信号的这样一种多信号调理电路。
本发明的技术方案是:
本发明含有电路基板1及设置在基板上的与布设在基板上的内部电路相应连接的8个接线端子,其特征是内部电路设有一个作为各原始输入信号公共端的“虚地”M(虚地M的作用是以便本多信号调理器对后续检测仪器仅用两线制连接而又保证内部电路对各敏感器件、输出电路的正常协调工作);和一个能将相对内部虚地M输入的,有一定频率或脉宽差的,多路交直流信号转换为电压再进行放大、叠加的多信号叠加器NO1及一个能将多信号叠加器NO1相对“虚地”M输出的电压信号转换为电流信号的电压-电流转换器NO2;P1、P2既是该电路的正、负电源输入端,也是该电路电流信号的输出端,P3是公共虚地M连接端;多个电流或电压、电荷、电阻、霍尔效应诸原始输入信号S1~SN(N≥2),通过某些端子相对虚地M接入内部电路与电路实现相应的所需连接;多路信号叠加器NO1的公共端G接虚地M,其输出端OUT和虚地M分别接到电压-电流转换器NO2的输入端A、B,NO2的正输出端C接电源正端子P1,其负输出端D接电源的负端子P2。(参见附图1)
所述信号调理电路是一种多信号调理电路。
所述的复合传感器,它含有一个恒流源式的温度敏感器件T为AD590,信号调理电路含有运放N1、N2,电阻器R1~R7、降压器R8,电容C1,8个接线端子P1~P8,其中NI、R1~R4、C1组成“多信号叠加器”NO1,N2、R5~R8组成“电流-电压转换器”NO2,端子P8接P1,端子P7接R2的一端和R1的一端,R1的另一端接虚地M,R2的另一端接运放N1的正输入端,端子P5接运放N1的正输入端,电阻R3接在运放N1的负输入端和输出端之间,运放N1的负输入端还串接电容C1再接端子P6,端子P4接虚地M,R4连接于P4、P6间,运放N1、N2的负电源端接虚地M,运放N1、N2的正电源端接P1,在虚地M与端子P2之间接电阻R7,从端子P2对N2的负输入端接电阻R6,从运放N1的输出端与运放N2的负输入端间接电阻R5,运放N2的输出端与P1之间接降压器R8,温度敏感器件T的正极接端子P8,其负极接端子P7,一敏感振动的器件Y接于P3、P5之间。
所述的复合传感器,其信号调理器电路还含有运放N3,其正输入端接到P7,其负输入端接到其输出端做成跟随器,把电阻R4改接在N1的负输入端和N3的输出端之间。
所述的复合传感器,它还含有硅杯式压阻压力敏感器件YZ,其正电源端E接P7,负电源端F接P4,其输出端G或H端接P6,另一端闲置,以压阻式压力敏感器件的G或H与F之间的电阻替代R4
所述的复合传感器,它是一种温度-磁电式转速复合传感器,其转速敏感器件N的电磁线圈替代电阻R4接于P6、P4两端之间。
所述的复合传感器.它为一种温度-霍尔转速复合传感器,霍尔器件HE的正端E接P8,负端F接P4,半桥输出端H或G接P6,另一端闲置,以霍尔磁敏感器件的G或H与F之间的电阻替代R4
本多信号调理电路只要恰当选择匹配电路参数和器件.即具有两线制供电兼输出,所需电路电压低,包含各个原始输入信号的信息内容不丢失、不失真,频率响应好,抗干扰长线传输等诸多优越效果。
多信号调理电路特别适合应用于作成各种复合传感器的信号调理电路。
附图说明
附图1为多信号调理电路主体结构图;
附图2为一种用于“温度-振动复合传感器”的调理器电路;
附图3为一种用于“温度-振动复合传感器”的调理器电路;
附图4为敏感温度动态压力和振动构成的复合传感器的多信号调理器电路图;
附图5为本发明应用于“温度-磁电式转速复合传感器”的电路图;
附图6为本发明应用于“温度-霍尔转速复合传感器”的电路图;
附图7A、7B为与复合传感器实施例1、2、4、5续接的检测仪中其电流-电压转换器和信号分离器的电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本多信号调理电路应用予复合传感器的若干实施例作进一步的说明。
所述复合传感器的实施例都是含有一个以恒流源式温度敏感器件(如AD590)的“温度一XX复合传感器”。
图2是一种用于“温度-振动复合传感器”的信号调理器电路。
电路由两个运算放大器N1、N2,电阻器R1~R7、降压器R8,电容C1,接线端子P1~P8组成。N1、R1~R4、C1组成多信号叠加器NO1,N2、R5~R8组成电流-电压转换器NO2
端子P8接P1,端子P7接R2的一端和R1的一端,R1的另一端接虚地M,R2的另一端接运放N1的正输入端,端子P5接运放N1的正输入端,电阻R3接在运放N1的负输入端和输出端之间,运放N1的负输入端经串接电容C1接端子P6,端子P4接虚地M,R4连接于P4、P6之间。运放N1、N2的负电源端接虚地M,运放N1、N2的正电源端接P1,在虚地M与端子P2之间接电阻R7,从端子P2对N2的负输入端接电阻R6,从运放N1的输出端与运放N2的负输入端间接电阻R5,运放N2的输出端与P1之间接降压器R8。将温度敏感器件T(AD590)的正极接到端子P8,T的负极接到P7,振动敏感器件Y(如压电陶瓷声振敏感器)接于端子P3、P5之问。实际加工时,运放N1、N2可以用一个微电流的双运放,如TCL2552、TLC2262,选用军用型的能承受-50~125℃的微型贴装器件,所有的电阻器件亦使用贴装器件,将所有器件组装在一块约6×6mm2~15×15mm2的电路基板1上。
温度敏感器件T敏感温度后产生的恒流电流流过R1产生相对于虚地M的压降U1,T(AD590)的灵敏度为SW=1μA/℃,测量温度的范围是-50~125℃,对应于0度的电流是273μA.当绝对温度为t时,R1上的电压为U1t=R1×t×SW。该电压经过R2,接到运放N1的正输入端,由运放N1跟随对虚地P3、P4(M)输出。由于运放N1的输入阻抗极高(输入端的电流仅约1Pa),R2电阻(例如IOMΩ)上几乎没有压降(压降仅为10μv)。将振动敏感器件Y(如压电陶瓷)接到端子P3(M)和P5,其在传感器中感受振动、冲击后,产生的电荷在其本身的电容、运放N1的正端输入端电容、引线分布电容上产生交流电压u,与温度t对应的在R1上产生的直流电压V1t并联叠加输入运放N1的正输入端。电阻R2的阻值设计得足够大(10MΩ),使之不足以对压电信号分流。于是,运放N1输出端的振动、冲击交流电压u1等于:
u1=u×(1+R3/R4)
外接电容器C1的容量设计得足够大,使其对于交流电的容抗远小于外接电阻R4的阻抗,从而有良好的低频响应。
压电陶瓷Y的灵敏度与电阻器R1的数值作如下的匹配:在下限温度(-50度)时R1上的压降V1,大于压电陶瓷在敏感最大冲击时电路所产生的峰值电压。
在电压-电流转换器中,以P2作为输出端,以M作为参考点。输入信号是N1对M的输出电压(U1+u1)。电路自动控制P2相对于M的电压U2是:
U2=-(U1+u1)×R6/R5
则P2相对于M输出的电流是:
I2=U2/R7=-(U1+u1)×R6/(R5×R7)
从M向P2流出的电流是:
IOUT=-I2=(U1+u1)×R6/(R5×R7)
降压器R8的作用是使运放N2的输出端通过它对电源端P1消耗电流来提供电压-电流变换器的输出电流。为了不致因为R8太小而使小电流时运放N2的输出端电压接近电源P1的电压而失效,也不至于因为R8太大而电流大时运放N2的输出端电压接近于运放的负电源端M的电压而失效,运放可选择输出动态范围接近于其供电电源电压的单电源“轨对轨”运放;降压器R8可以是一个合适的电阻器或一个正端接P1的二极管或一个正端接P1的发光管。
下面以具体的设计数据进一步说明该实施方案。
设温度敏感器件T(AD590)的灵敏度是:SW=1μA/℃,其工作范围是-50~125C,
压电敏感器件与相关电容决定的输出的电压灵敏度是:SY=IOmV/g,
R1=10k,R2=10M,R3=100k,R4=100k,R5=100k,R6=10k,R7=0.10101k,R8=1N4148,N1和N2是双运算放大器TLC2252。其单个运放的静态电流为0.0625mA,电容器C1=1μf。
计算其输出的温度电流灵敏度SWIP2[μA/℃]和振动电流灵敏度SYIP2[μA/g]如下。
N1输出端相对于M的温度电压U1的灵敏度:
SWVI=SW×R1=SW×10k=10mV/℃
P2端相对M的温度电压灵敏度:
SWVP2=SWVI×R6/R5=1mV//℃
P2端相对M的温度电流灵敏度:
SWIP2=SWVP2/(R7//R6)=1mV/℃/0.1k=10A/℃
同理,P2端相对M的振动电流灵敏度:
SYIP2=20μA/g
在温度测量下限-50℃时,R1上的电压为:
V1-50=10k×(273-50)℃×1μA/℃=2.23V
能容许的振动动态范围下限是:
Ymin=2.23V/10mV/g=223g
在温度测量下限-50℃时。流过R7的直流(温度)电流是:
IR7min=10A/℃×223℃=2.23mA
由于运算放大器TLC2252的静态电流是2×0.0625mA=0.125mA,温度敏感器件的电流是0.223mA,
因此,电路允许有的动态电流为:2.23-0.125-0.223=1.882mA
允许的振动动态范围是:1882/20=94.1g
电路能够可靠传输90g的加速度信号。
在温度测量上限125℃时,R1上的电压为:
U1+125=10k×(273+125)℃×1μA/℃=3.98V
在温度测量上限125℃时,流过R7的直流(温度)电流是:
IR7min=t0μA/℃×398℃=3.8mA
R7上的电压降是3.98V,考虑100g的振动冲击。其交流电压峰值是2v,N01相对虚地输出的高电平是6V,因此,本多参数调理器电路对仪嚣的供电电压没有严格的要求,允许为8~15V。其上限电压仅受运放等器件所能承受的电压的限制。上述参数完全满足实用要求。
以下所述实施例均是在上述实施例1的电路基础上作些变化而形成的
图3所示实施例2是在实施例1的基础上增加运放N3。将其正输入端接到P7。将其负输入端接到其输出端做成跟随器,而把R4改接在N1的负输入端和N3的输出端间。由于R2》R1,P7的交流电位近似于虚地M.于是跟随器N3的输出端的交流电位也近似于M,N2对于振动电压的放大系数等于(R3/R4+1),与实施倒1的结果相同;由于N3输出端的直流电压等同于N1的输入电压,因此N2对温度直流电压的放大系数为1,也与实施例1的结果相同。但带来的优点是:由于不受有限的C1与R4的时间常数的影响,实施例2的低频响应仅由R2与压电晶体Y等的分布电容决定。
图4所示实施例3是敏感温度、动态压力和振动构成的复合传感器的多信号调理器电路图。该复合传感器可用来对压气机喘振作预警和报警,因为在发生喘振前,可用检测喘振前失速气体发生的高频大幅度振动和喘振前温度的异常变化,来对喘振进行预警;而喘振时压力是大幅度低频脉动的,可用动压检测来确认喘振气体压力脉动规律和确认喘振业已发生。
该复合传感器电路的特征是,含有硅杯式压阻压力敏感器件YZ,其正电源端E接P7,负电源端F接P4,其输出端G(或H)接P6,另一端闲置,是以压阻式压力敏感器件的G(或H)与F之间的电阻替代R4,构成半桥式动态压力检测方式。
由于硅杯压阻敏感器件的E、F两端的电阻值REF(以kΩ为单位)是恒定的,约为0.5~4.0kΩ,则其与R1并联的电阻Rw(以kΩ为单位)也是确定的,则电路输出韵温度灵敏度(电流)是:
SWIOUT=Rw[μA/℃]
设硅杯压阻敏感器的压力灵敏度是:SYZ[Ω/Pa],则输出的压阻电流灵敏度是:
SYZIOUT=SYZ[Ω/Pa]×(Rw/R3)/1000  [μA/Pa]
设振动压电敏感器件的振动灵敏度是:SZ[mV/g],则输出的振动电流灵敏度是:
SZIOUT=SZ(1+R3/Rw)                [μA/g]
图5所示实施例4是本发明的多信号调理电路应用于“温度-磁电式转速复合传感器”的例子,“温度-磁电式转速复合传感器“的转速敏感器件N的电磁线圈替代电阻器R4接于P6、P4两端子之间,以并联电压负反馈方式由N1放大,P5、P7可以短接。
附图6是本发明的多信号调理电路用于“温度-霍尔转速复合传感器”的实例5。霍尔器件HE的正端E接P8,负端F接P4,半桥输出端H或G之一接P6,另一端闲置,以霍尔磁敏感器件的G或H与F之间的电阻代替R4。霍尔磁效应信号由N1以并联电压负反馈方式放大。P7、P5可以短接。
为了从多信号调理电路输出的电流信号中获取各原始输入信号的内容,其后续检测仪器1应能将上述复合电流信号还原恢复为电压复合信号,进而从电压复合信号中分离出对应各原始信号的电压信号。此外,多信号调理电路与后续检测仪是两线制连接,除前者要向后者输出电流信号外,后者还需要向前者提供工作电源。因此,后续检测仪器的特征是含有相应的电流一电压转换器NO3和信号分离器NO4,以及能向信号调理器提供所需正或负电源的供电电路。该正(或负)电源与多信号调理电路的端子P1(或P2)连接,电流一电压转换器NO3的电流输入端I-与另一端子P2(或P1)连接,另一端I+接地,其输出端OV对地输出的电压接到信号分离器NO4的输入端IV,NO4的另一输入端接地。NO4将分离的各信号电压分别从其输出端VS1~VSN输出至后续电路。(其电路图参见附图1)。
图7A、7B所示是相应与复合传感器实例1、2、4、5续接的检测仪中其电流-电压转换器和信号分离器的电路结构。
图7A使用正电源对多信号调理电路1正端供电并从多信号调理电路1负端取用信号。其特征是电流-电压转换器含有运放N4和电阻R9,信号分离器NO4含有运放N5、电阻R10、R11,电容C10、C11,仪器以+12V向传感器P1端供电,自传感器P2端输出的电流引至N4的负输入端I-,电阻R9接于N4的负输入端与输出端之间,N4的正输入端I+接地;运放N5的负输入端经电阻R10与N4的输出端连接,电阻R11、电容C11并联地连接于N5的负输入端与输出端之间,N5的正输入端接地;N4的输出端经电容器C10隔除直流分量输出振动交流信号SYOUT,N5、C11、R10组成反相积分器滤除交流,N5的输出端输出滤除交流分量的、对应温度的正极性直流电压信号SWOUT。
图7B使用负电源对多信号调理电路1负端供电并从多信号调理电路1正端取用信号。同样地电流电压转换器NO3含有运放N4和电阻R9。信号分离电路NO4含有C10、C12、R12,C10隔除直流分量,输出振动交流信号SYOUT,R12、C12滤除振动交流分量,输出正极性温度直流信号SWOUT。
本发明的多信号调理电路之一,已制成厚膜电路器件,应用于温度-振动复合传感器中,效果良好。电路可以进一步在已有运算放大器的硅芯片上增加所需电阻器、电容器及布线连接构成集成电路,将外接端子定义为新的多参数调理器电路集成电路的片脚,更利于微型化,具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种多信号调理电路,含有电路基板(1)及设置在基板上的与布设在基板上的内部电路相应连接的8个接线端子(P1-P8),其特征是:内部电路设有一个作为各原始输入信号公共端的“虚地”(M);和一个能将相对内部虚地(M)输入的,有一定频率或脉宽差的,多路交直流信号转换为电压再进行放大、叠加的多信号叠加器(NO1)及一个能将多信号叠加器(NO1)相对“虚地”(M)输出的电压信号转换为电流信号的“电压-电流转换器”(NO2);第一端子(P1)、第二端子(P2)既是该电路的正负电源输入端,也是该电路电流信号的输出端,第三端子(P3)是公共虚地(M)连接端;多个电流或电压、电荷、电阻、霍尔效应诸原始输入信号(S1~Sn),通过某些端子相对虚地(M)接入内部电路与电路实现相应的所需连接;“多路信号叠加器”(NO1)的公共端(G)接虚地(M),其输出端(OUT)和虚地(M)分别接到“电压-电流转换器”(NO2)的输入端(A)、(B),电压-电流转换器(NO2)的正输出端(C)接电源正端子(P1),其负输出端(D)接电源负端子(P2)。
2.一种复合传感器,由敏感器件和信号调理电路构成,其特征是:信号调理电路是如权利要求1所述的一种多信号调理电路。
3.按权利要求2所述的复合传感器,其特征是:它含有一个恒流源式的温度敏感器件AD590(T),信号调理电路含有两个运放(N1)、(N2),七个电阻器(R1~R7)、降压器(R8),电容(C1),8个接线端子(P1~P8),其中第一运放(N1)、前四个电阻器(R1~R4)、第一电容(C1)组成“多信号叠加器”(NO1),第二运放(N2)、后四个电阻器(R5~R8)组成“电流-电压转换器”(NO2),第八端子(P8)接第一端子(P1),第七端子(P7)接第二电阻器(R2)的一端和第一电阻器(R1)的一端,第一电阻器(R1)的另一端接虚地(M),第二电阻器(R2)的另一端接第一运放(N1)的正输入端,第五端子(P5)接第一运放(N1)的正输入端,第三电阻器(R3)接在第一运放(N1)的负输入端和输出端之间,第一运放(N1)的负输入端还串接第一电容(C1)再接第六端子(P6),第四端子(P4)接虚地(M),第四电阻器(R4)连接于第四端子(P4)、第六端子(P6)间,第一运放(N1)、第二运放(N2)的负电源端接虚地(M),第一运放(N1)、第二运放(N2)的正电源端接第一端子(P1),在虚地(M)与第二端子(P2)之间接第七电阻器(R7),从第二端子(P2)对第二运放(N2)的负输入端接第六电阻器(R6),从第一运放(N1)的输出端与第二运放(N2)的负输入端间接第五电阻器(R5),第二运放(N2)的输出端与第一端子(P1)之间接降压器(R8),温度敏感器件(T)的正极接第八端子(P8),其负极接第七端子(P7),一敏感振动的器件(Y)接于第三端子(P3)、第五端子(P5)之间。
4.按权利要求3所述的复合传感器,其特征是:所述的信号调理器电路还含有第三运放(N3),其正输入端接到第七端子(P7),其负输入端接到其输出端做成跟随器,把第四电阻器(R4)改接在第一运放(N1)的负输入端和第三运放(N3)的输出端之间。
5.按权利要求3所述的复合传感器,其特征是:它还含有硅杯式压阻压力敏感器件(YZ),其正电源端(E)接第七端子(P7),负电源端(F)接第四端子(P4),其输出端(G)或(H)端接第六端子(P6),另一端闲置,以压阻式压力敏感器件的G端或H段与F端之间的电阻替代第四电阻器(R4)。
6.按权利要求3所述的复合传感器,其特征是:它是一种温度-磁电式转速复合传感器,其转速敏感器件(N)的电磁线圈替代第四电阻器(R4)接于第六端子(P6)、第四端子(P4)两端之间。
7.按权利要求3所述的复合传感器。其特征是:它为一种温度-霍尔转速复合传感器,霍尔器件(HE)的正端(E)接第八端子(P8),负端(F)接第四端子(P4),半桥输出端(H)或(G)接第六端子(P6),另一端闲置,以霍尔磁敏感器件的G端或H端与F端之间的电阻替代第四电阻器(R4)。
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