CN109738108B - 一种车用电阻式气压传感器及其工作方法 - Google Patents

一种车用电阻式气压传感器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车用电阻式气压传感器，包括霍尔压力传感器、反向电压放大器、非线性补偿电路、可变电阻输出电路。当气压发生变化时,传感器内弹性元件产生位移时，将带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势，完成将压力变换为电压信号输出,并通电反向电压放大器得到一个负压输出,由非线性补偿电路进行补偿后,驱动可变电阻输出电路,输出一个模拟电阻信号；本发明在制动***气压发生变化时，通过传感器内弹性元件的位移带动霍尔元件位移，产生一个电压，将输出的电压通过信号调理后并进行相应的补偿后，驱动单极型场效应管，使工作在可变电阻区内的场效应管的漏‑源之间的等效电阻发生变化,最终完成电阻模拟功能。

Description

一种车用电阻式气压传感器及其工作方法
技术领域
本发明属于汽车技术领域，涉及一种汽车传感器，具体是一种车用电阻式气压传感器。
背景技术
目前，应用于汽车制动***气压测量的压力传感器绝大部分都是采用电阻应变式气压传感器，电阻应变式压力传感器又称为固态压力传感器，压力传感器主要由固定在硅杯上的硅杯膜片和外壳组成，硅膜片的上下有低压腔和高压腔，通过硅膜片直接感受被测压力,硅膜片的一面是与被测压力连通的高压管道，另一面是低压腔。低压腔与大气相通。在被测压力或差压作用下，硅膜片产生应变，扩散电阻的阻值随应变而变化。其优点是精度高，测量范围广，使用寿命长,结构简单，它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱,在要求较高的测量场合,输出的信号具有一定的非线性和滞后性.影响了传感器的正常使用,而且传感器的一致性较差，成本较高等不利因素。
发明内容
为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种车用电阻式气压传感器，当汽车制动***气压发生变化时,传感器内弹性元件产生位移时，将带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势，完成将压力变换为电压信号输出,并通电反向电压放大器得到一个负压输出,由非线性补偿电路进行补偿后,驱动可变电阻输出电路,输出一个模拟电阻信号,反映出当前的气压变化。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种车用电阻式气压传感器，包括气压检测单元、反向电压放大器、非线性补偿电路和可变电阻输出电路；
所述气压检测单元与反向电压放大器相连接，通过反向电压放大器输出一个负压信号；
所述反向电压放大器与非线性补偿电路相连接，用于补偿可变电阻输出电路非线性度，提高电阻两端电压动态范围；
所述非线性补偿电路与可变电阻输出电路相连接，当非线性补偿电路的输出电压发生变化时，可变电阻输出电路的回路电阻发生相应变化。
进一步地，所述气压检测单元为霍尔片式压力传感器，所述气压检测单元利用霍尔元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势,从而实现压力的测量；
当气压变化时，霍尔压力元件输出一个微弱电压信号；由所述反向电压放大器将霍尔压力传感器输出大于0V的电压进行放大，并转换为一个0至-5V的电压信号。
进一步地，所述反向电压放大器输出的-5V至0V的电压信号传输到非线性补偿电路上；所述非线性补偿电路包括两个电性连接的电压跟随器相连接而构成，所述非线性补偿电路用于适应模拟输出电阻两端的电压动态范围。
进一步地，所述可变电阻输出电路为一个串联结型场效应晶体管输出电路，通过改变栅源电压VGS大小来改变串联结型场效应晶体管漏-源之间的等效电阻，由非线输补偿电路输出一个可变电压，从而达到精确控制输出电阻。
一种车用电阻式气压传感器的工作方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：当气压发生变化时,传感器内弹性元件感受压力发生位移,并将压力转换为位移量，将霍尔元件固定在弹性元件上，当弹性元件产生位移时，带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势，实现将压力变换为电压变化的过程。霍尔压力元件输出一个微弱电压信号,该电压为0V以上的电压,电压值随压力的增大而随之增大；
步骤二：霍尔元件输出的正值电压信号,通过一个反向放大器将霍尔电压进行反向放大,得到一个-5V至0V的电压信号,该电压信号,与两个电压跟随器相连接，构成非线性补偿电路，以适应模拟输出电阻两端的电压动态范围；
步骤三：电压跟随器输出的电压加载到模拟电阻输出电路,模拟电阻输出电路由一个串联结型场效应晶体管输出电路组成，通过改变栅源电压VGS大小来改变串联结型场效应晶体管漏-源之间的等效电阻,并由非线输补偿电路进行补偿,以提高模拟电阻两端电压动态范围,实现精确控制输出电阻。
本发明的有益效果：本发明结构简单、设计合理，汽车制动***气压发生变化时，通过传感器内弹性元件的位移带动霍尔元件位移，产生一个电压，将输出的电压通过信号调理后并进行相应的补偿后，驱动单极型场效应管，使工作在可变电阻区内的场效应管的漏-源之间的等效电阻发生变化,最终完成电阻模拟功能。由于霍尔元件的输出电压与气压的压力成线性对应关系，极型场效应管工作在可变电阻区内，其线性度较高，传感器的输出精度及灵敏度较高，能较为真实的反应出实际压力值，产品可实现微型化、高集成化、高灵敏度、耐温性较好。传感器具有整体结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动等优点，通过相应的优化设计，可广泛地应用于航天、航空、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、工测测量等领域。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一种车用电阻式气压传感器的结构框图；
图2是本发明一种车用电阻式气压传感器的霍尔传感器示意图；
图3是本发明一种车用电阻式气压传感器的可变电阻输出电路示意图；
图4是本发明一种车用电阻式气压传感器的工作原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明为一种车用电阻式气压传感器，包括霍尔压力传感器、反向电压放大器、非线性补偿电路、可变电阻输出电路；
所述的霍尔式压力传感器是利用材料的霍尔效应，将感受的压力转换成可变的电压信号输出的传感器。其工作原理如图2所示，霍尔片为一半导体材料制成的薄片，当有压力产生时，由压力所引起的弹性元件的位移，电子在霍尔片中运动时,由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移,造成霍尔片的一个端面上有电子积累,另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片上出现电位差,这一电位差称为霍尔电势，通过给霍尔元件施加恒定的电流并保持不变，则在均匀磁场中，霍尔元件所处的位移不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就可以得到与位移成比例的霍尔电势。实现位移到电势的线性转换。即压力变化转变为输出电压变化的过程。
气压传感器的可变电阻输出电路如图3所示，可变电阻输出电路采用一个单极性结型场效应晶体管，结型场效应晶体管有3个工作区，可变电阻区、夹断区和恒流区，当结型场效应晶体管只要满足了
VGS>VGS(off)，|VDS|<VGS-VGS(off)
条件时，即可工作在可变电阻区。此时，其漏极电流ID为
Figure BDA0001937869830000041
漏源之间的等效电阻为RDS
Figure BDA0001937869830000051
式中，K为单极性结型场效应晶体管的对应常量，VT其近似阀值控制电压。
场效应晶体管工作在可变电阻区时，当输入的VGS不变时，RDS的电压随电压V升高而升高，为了使VDS两端的电压动态范围稳定，本方案中串入一个电阻R，以改善可变电阻的***性能。
如图4所示，霍尔压力元件输出电压变化范围较小，当汽车制动***气压较低时，输出的微弱电压信号不足以驱动后级电路，且后级可变电阻输出电路为一个结型场效应晶体管，其驱动电压为负压驱动，通过控制栅源电压，实现压控电阻的功能,霍尔压力元件输出电压为0V以上的电压,电压值随压力的增大而随之增大。在本方案中采用了一个反向电压放器UA，将霍尔压力元件输出电压进入放大的同时，改变了其输出极性，变为负压输出，输入到电压跟随器UB的输入端。
如图4所示，在可变电阻的输出电路中，串联有一个非线性补偿电路，由运算放大器构成的电压跟随器UB和UC，为了改善场效应管可变电阻的非线性性能，其核心是要消除当栅极电压改变时对RDS的影响，RDS的变化受VDS的增大而增大，图4中R3，R4相等，场效应管的源极接地，根据叠加原理,则些时VGS电压：
Figure BDA0001937869830000052
此时，栅极电流较小，可以忽略不计，则栅极电压相对恒定
Figure BDA0001937869830000053
Vin为输入电压,则漏源电阻为
Figure BDA0001937869830000061
则RDS的变化不受VDS影响，消除了非线性问题，同时，为了扩展可变电阻RDS的范围，本方案还采用了串联输出的方式，将两个单极型场效应管进行串联，其等效输出电阻为场效应管J1的漏极和J2源极两端的电阻，使其输出电阻的动态范围得到了扩展。
一种车用电阻式气压传感器的工作方法，包括如下步骤：
步骤一：当汽车制动***气压发生变化时,传感器内弹性元件感受压力变化而发生位移,并将压力转换为线性位移量，将霍尔元件固定在弹性元件上，当弹性元件产生位移时，带动霍尔元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势，实现将压力变换为电压变化的过程。霍尔压力元件输出一个微弱电压信号,压力越大，输出电势越大,该电压为0V以上的电压,电压值随压力的增大而随之增大。
步骤二：霍尔元件输出的正值电压信号,由于霍尔元件产生的电势差很小，通过一个反向放大器将输入霍尔电压信号进行放大,并反相输出,输出电压的大小取决于电阻R1,R3的比例关系,通过改变R3,R1的电阻比例,最终得到一个0至-5V之间的负电压信号,在可变电阻的模拟输出端,当VGS不变时,RDS随VDS的增大而增大,使场效应管制的非线性性能变差,为了改善场效应管可变电阻的非线性性能，其核心是要消除当栅极电压改变时对RDS的影响，RDS的变化受VDS的增大而增大，通过一个电压跟随器将输入的电压进行限流和分压,在图4中R3，R4相等，场效应管的源极接地，根据叠加原理,则此时VGS电压变低,栅极电流减小，则栅极电压由于VDS的叠加而相对恒定,RDS的变化不受VDS影响，消除了非线性问题，以适应模拟输出电阻两端的电压动态范围。
步骤三：电压跟随器输出的电压加载到模拟电阻输出电路,为了扩展可变电阻RDS的范围，本方案还采用了串联输出的方式，将两个单极型场效应管进行串联，其等效输出电阻为场效应管J1的漏极和J2源极两端的电阻,通过改变栅源电压VGS大小来改变串联JFET漏-源之间的等效电阻,并由非线输补偿电路进行补偿,以提高模拟电阻两端电压动态范围,实现精确控制输出电阻,使其输出电阻的动态范围得到了扩展。
本发明结构简单、设计合理，汽车制动***气压发生变化时，通过传感器内弹性元件的位移带动霍尔元件位移，产生一个电压，将输出的电压通过信号调理后并进行相应的补偿后，驱动单极型场效应管，使工作在可变电阻区内的场效应管的漏-源之间的等效电阻发生变化,最终完成电阻模拟功能。由于霍尔元件的输出电压与气压的压力成线性对应关系，极型场效应管工作在可变电阻区内，其线性度较高，传感器的输出精度及灵敏度较高，能较为真实的反应出实际压力值，产品可实现微型化、高集成化、高灵敏度、耐温性较好。传感器具有整体结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动等优点，通过相应的优化设计，可广泛地应用于航天、航空、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、工测测量等领域。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种车用电阻式气压传感器的工作方法，其特征在于，车用电阻式气压传感器包括气压检测单元、反向电压放大器、非线性补偿电路和可变电阻输出电路；
所述气压检测单元与反向电压放大器相连接，通过反向电压放大器输出一个负压信号；
所述反向电压放大器与非线性补偿电路相连接，用于补偿可变电阻输出电路非线性度，提高可变电阻两端电压动态范围；
所述非线性补偿电路与可变电阻输出电路相连接，当非线性补偿电路的输出电压发生变化时，可变电阻输出电路的回路电阻发生相应变化；
所述气压检测单元为霍尔片式压力传感器，所述气压检测单元利用霍尔压力元件将由压力所引起的弹性元件的位移转换成霍尔电势，从而实现压力的测量；
当气压变化时，霍尔压力元件输出一个微弱电压信号；由所述反向电压放大器将霍尔片式压力传感器输出大于0V的电压进行放大，并转换为一个-5V至0V的电压信号；
所述反向电压放大器输出的-5V至0V的电压信号传输到非线性补偿电路上；所述非线性补偿电路包括两个电性连接的电压跟随器相连接而构成，所述非线性补偿电路用于适应模拟输出电阻两端的电压动态范围；
所述可变电阻输出电路为一个串联结型场效应晶体管输出电路，通过改变栅源电压VGS大小来改变串联结型场效应晶体管漏-源之间的等效电阻，由非线性补偿电路输出一个可变电压，从而达到精确控制输出电阻；
车用电阻式气压传感器的工作方法包括如下步骤：
步骤一：当气压发生变化时，霍尔片式压力传感器内弹性元件感受压力发生位移，并将压力转换为位移量，将霍尔压力元件固定在弹性元件上，当弹性元件产生位移时，带动霍尔压力元件在具有均匀梯度的磁场中移动，从而产生霍尔电势，实现将压力变换为电压变化的过程；霍尔压力元件输出一个微弱电压信号，该微弱电压为0V以上的电压，电压值随压力的增大而随之增大；
步骤二：霍尔压力元件输出的正值电压信号，通过一个反向放大器将霍尔电压进行反向放大，得到一个-5V至0V的电压信号，该-5V至0V的电压信号，与两个电压跟随器相连接，构成非线性补偿电路，以适应可变电阻两端的电压动态范围；
步骤三：电压跟随器输出的电压加载到可变电阻输出电路，并由非线性补偿电路进行补偿，以提高可变电阻两端电压动态范围，实现精确控制输出电阻；
通过霍尔片式压力传感器内弹性元件的位移带动霍尔压力元件位移，产生一个电压，将输出的电压通过信号调理后并进行相应的补偿后，驱动单极型场效应管，使工作在可变电阻区内的场效应管的漏-源之间的等效电阻发生变化；
所述的霍尔片式压力传感器是利用材料的霍尔效应，将感受的压力转换成可变的电压信号输出的传感器；霍尔片为一半导体材料制成的薄片，当有压力产生时，由压力所引起的弹性元件的位移，电子在霍尔片中运动时，由于受电磁力的作用，而使电子的运动轨道发生偏移，造成霍尔片的一个端面上有电子积累，另一个端面上正电荷过剩，于是在霍尔片上出现电位差，这一电位差称为霍尔电势，通过给霍尔压力元件施加恒定的电流并保持不变，则在均匀磁场中，霍尔元件所处的位移不同，所受到的磁感应强度也将不同，这样就能得到与位移成比例的霍尔电势；实现位移到电势的线性转换；即压力变化转变为输出电压变化的过程；
可变电阻输出电路采用一个单极性结型场效应晶体管，单极性结型场效应晶体管有 3个工作区，可变电阻区、夹断区和恒流区，当结型场效应晶体管只要满足了
Figure DEST_PATH_IMAGE001
条件时，即可工作在可变电阻区；此时，其漏极电流 ID为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
漏源之间的等效电阻为 RDS
Figure DEST_PATH_IMAGE003
式中，K 为单极性结型场效应晶体管的对应常量，VT为阀值控制电压；
单极性结型场效应晶体管工作在可变电阻区时，当输入的 VGS不变时，RDS的电压随电压VT升高而升高，为了使 VDS两端的电压动态范围稳定，串入一个电阻R，以改善可变电阻的***性能；
霍尔压力元件输出电压变化范围较小，当汽车制动***气压较低时，输出的微弱电压信号不足以驱动后级电路，且后级可变电阻输出电路为一个结型场效应晶体管，其驱动电压为负压驱动，通过控制栅源电压，实现压控电阻的功能。
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