CN110441606B - 一种电阻式传感器阻值测量装置、方法及气体检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电阻式传感器阻值测量装置、方法及气体检测设备，装置包括：第一选择开关单元、测量电阻单元、待测传感器连接端、电压测量单元及控制计算单元；测量电阻单元包括至少两个不同阻值的测量电阻；待测传感器连接端用于连接待测传感器的第一端，待测传感器的第二端用于提供第二固定电位；电压测量单元用于测量待测传感器的电压，并传输给控制计算单元；控制计算单元用于控制第一选择开关单元选通测量电阻单元中的一个测量电阻作为分压电阻，以及计算待测传感器的阻值。本发明能够提高待测传感器的阻值的测量灵敏度，提高气体浓度的测量值的精确度。

Description

一种电阻式传感器阻值测量装置、方法及气体检测设备

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种电阻式传感器阻值测量装置、方法及气体检测设备。

背景技术

电阻式传感器用于把需要测量的非电物理量转换为电阻值变化的传感器。其中一个重要的应用为检测某一空间内气体的浓度，传感器由气敏半导体材料制备而成，当待测气体与传感器接触时，传感器的阻值会发生变化，不同的气体浓度值与传感器的阻值变化具有对应的关系，因此可以通过测量传感器的阻值，得到待测气体的浓度。

对于阻值在MΩ和GΩ量级的高阻型电阻式传感器，其阻值的测量通常使用电阻分压方式来测量。通常的测量方式是使用一个与传感器电阻值接近的固定测量电阻来构成分压测量电路。但是由于传感器的电阻值随着气体浓度变化，其数值处于一个比较宽的阻值范围内，其上限电阻值往往是下限电阻值的几倍到几十倍。当传感器的电阻和测量电阻阻值相等时，测量电路的灵敏度是最高的；随着传感器电阻的阻值和测量电阻偏离程度的提高，测量电路的灵敏度逐步下降。而现有技术中，测量电阻通常是恒定的，这就导致测量电路的灵敏度不高，进而测量的气体浓度的测量值的精确度不高。

发明内容

本发明实施例提供了一种电阻式传感器阻值测量装置、方法及气体检测设备，其能够根据待测传感器的阻值，灵活地选择与待测传感器的阻值更接近的测量电阻作为分压电阻，提高待测传感器的阻值的测量灵敏度，提高气体浓度的测量值的精确度。

第一方面，本发明实施例提供了一种电阻式传感器阻值测量装置，包括：

第一选择开关单元、测量电阻单元、待测传感器连接端、电压测量单元及控制计算单元；其中，

所述第一选择开关单元的第一端用于提供第一固定电位；

所述测量电阻单元包括至少两个不同阻值的测量电阻，各所述测量电阻的第一端与所述第一选择开关单元的第二端连接，各所述测量电阻的第二端与所述待测传感器连接端连接；

所述待测传感器连接端用于连接待测传感器的第一端，所述待测传感器的第二端用于提供第二固定电位；

所述电压测量单元的第一端与所述待测传感器连接端连接，所述电压测量单元的第二端与所述控制计算单元连接，所述电压测量单元用于测量所述待测传感器的电压，并传输给所述控制计算单元；

所述第一选择开关单元的第三端与所述控制计算单元连接，所述控制计算单元用于控制所述第一选择开关单元选通测量电阻单元中的一个测量电阻作为分压电阻，以及计算待测传感器的阻值。

可选的，电阻式传感器阻值测量装置还包括第二选择开关单元，所述第二选择开关单元的第一端与所述待测传感器连接端连接，所述第二选择开关单元的第二端与至少两个所述待测传感器连接，所述第二选择开关单元的第三端与控制计算单元连接，所述第二选择开关单元用于选通一个所述待测传感器。

可选的，所述第一选择开关单元和第二选择开关单元为多选一模拟开关。

可选的，所述待测传感器的第二端接地。

第二方面，本发明实施例提供了一种气体检测设备，包括如本发明第一方面所述的电阻式传感器阻值测量装置。

第三方面，本发明实施例提供了一种电阻式传感器阻值测量方法，基于本发明第一方面所述的电阻式传感器阻值测量装置，测量方法包括：

选通第一电阻，计算出待测传感器的第一测量值，所述第一电阻为所述测量电阻单元中任意一个测量电阻；

确定第二电阻和第三电阻，其中第一测量值大于所述第二电阻的阻值且小于所述第三电阻的阻值，所述第二电阻和第三电阻为所述测量电阻单元中阻值相邻的两个测量电阻；

基于所述第二电阻和第三电阻，确定临界电阻，其中，所述临界电阻为当选通所述第二电阻或第三电阻作为测量电阻作为分压电阻，测量灵敏度相等时，计算出的待测传感器的测量值；

在确定所述第一测量值处于第二电阻和临界电阻之间时，选通所述第二电阻，计算出待测传感器的最终测量值；

在确定所述第一测量值处于临界电阻和第三电阻之间时，选通所述第三电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

可选的，所述灵敏度的计算公式为：

其中，U为第一固定电位与第二固定电位的电位差，Rs为待测传感器的真实阻值。

可选的，所述临界电阻的计算公式为：

其中，R_i为第二电阻的阻值，R_i+1为第三电阻的阻值。

可选的，电阻式传感器阻值测量方法还包括：

在确定所述第一测量值小于测量电阻单元中阻值最小的测量电阻时，选通该阻值最小的测量电阻作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值；

在确定所述第一测量值大于测量电阻单元中阻值最大的测量电阻时，选通该阻值最大的测量电阻作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

本发明实施例提供的电阻式传感器阻值测量装置，包括第一选择开关单元、测量电阻单元、待测传感器连接端、电压测量单元及控制计算单元，通过控制计算单元控制第一选择开关单元选通测量电阻单元中的一个测量电阻作为分压电阻，并根据该分压电阻的阻值计算出测传感器的阻值。本发明能够根据待测传感器的阻值，灵活地选择与待测传感器的阻值更接近的测量电阻作为分压电阻，提高待测传感器的阻值的测量灵敏度，提高气体浓度的测量值的精确度。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明实施例一提供的一种电阻式传感器阻值测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种电阻式传感器阻值测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种电阻式传感器阻值测量方法的流程图；

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

本发明实施例一提供了一种电阻式传感器阻值测量装置，图1为本发明实施例一提供的一种电阻式传感器阻值测量装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括：第一选择开关单元110、测量电阻单元120、待测传感器连接端130、电压测量单元140及控制计算单元150。

其中，第一选择开关单元110的第一端用于提供第一固定电位V_R，第一选择开关单元110的第二端包括至少两个连接点，用于接入测量电阻。

测量电阻单元120包括至少两个不同阻值的测量电阻，示例性的，如图1所示，在本实施例中，测量电阻单元120包括n个阻值由小到大依次排列的测量电阻R₁、R₂......R_n，形成电阻阵列，各测量电阻的阻值固定，其中n≥2。各测量电阻的第一端分别与第一选择开关单元110的第二端的各连接点一一对应连接，各测量电阻的第二端与待测传感器连接端130连接。可选的，在本发明实施例中，选择开关单元110包括多选一模拟开关，采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开，进而选通测量电阻单元120中的一个测量电阻。

待测传感器连接端130用于连接待测传感器160的第一端，待测传感器160的第二端用于提供第二固定电位V₀，从而第一选择开关单元110的第一端与待测传感器160的第二端的电位差为：U＝V_R-V₀。示例性的，在本发明的一个实施例中，待测传感器160的第二端接地，即第二固定电位V₀为零电位。

电压测量单元140的第一端与待测传感器连接端130连接，电压测量单元140的第二端与控制计算单元150连接，电压测量单元140用于测量待测传感器160的电压Uc，即待测传感器160第一端相对于待测传感器160第二端的电位差Uc，并传输给控制计算单元150。

第一选择开关单元110的第三端与控制计算单元150连接，控制计算单元150用于控制第一选择开关单元110选通测量电阻单元120中的一个测量电阻作为分压电阻，以及根据分压电阻的阻值计算待测传感器160的阻值。

具体的，该电阻式传感器阻值测量装置的工作原理如下：

通过控制计算单元150控制第一选择开关单元110选通测量电阻单元120中的任一测量电阻作为分压电阻，并根据该测量电阻的阻值，计算出待测传感器160的第一测量值R_c1。

若第一测量值R_c1小于测量电阻单元120中阻值最小的测量电阻R₁，则控制计算单元150选通R₁作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

若第一测量值R_c1大于测量电阻单元120中阻值最大的测量电阻R_n，则控制计算单元150选通R_n作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

若第一测量值R_i＜R_c1＜R_i+1，其中R_i和R_i+1为测量电阻单元120中相邻的两个测量电阻，则判断R_c1的与H_i的关系，其中，

当R_i≤R_c1≤H_i时，控制计算单元150选通R_i作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值；当H_i≤R_c1≤R_i+1时，控制计算单元150选通R_i+1作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

本发明实施例提供的电阻式传感器阻值测量装置，包括第一选择开关单元、测量电阻单元、待测传感器连接端、电压测量单元及控制计算单元，通过控制计算单元控制第一选择开关单元选通测量电阻单元中的一个测量电阻作为分压电阻，并根据该分压电阻的阻值计算出测传感器的阻值。本发明能够根据待测传感器的阻值，灵活地选择与待测传感器的阻值更接近的测量电阻作为分压电阻，提高待测传感器的阻值的测量灵敏度，提高气体浓度的测量值的精确度。

图2为本发明实施例提供的另一种电阻式传感器阻值测量装置的结构示意图，如图2所示，可选的，在图1所示的实施例的基础上，本实施例的电阻式传感器阻值测量装置还包括第二选择开关单元170，第二选择开关单元170的第一端与待测传感器连接端130连接，第二选择开关单元170的第二端包括至少两个连接点，至少两个待测传感器R_s1、R_s2......R_sn的第一端分别与第二选择开关单元170的第二端的各连接点一一对应连接，至少两个待测传感器R_s1、R_s2......R_sn的第二端用于提供第二固定电位V₀。

第二选择开关单元170的第三端与控制计算单元150连接，控制计算单元150控制第二选择开关单元170选通一个待测传感器。示例性的，在本发明实施例中，第二选择开关单元170包括多选一模拟开关，采用MOS管的开关方式实现了对信号链路关断或者打开，进而选通至少两个待测传感器R_s1、R_s2......R_sn中的一个，并对该选通的待测传感器进行阻值测量。本实施例中的电阻式传感器阻值测量装置可接入多个待测传感器，通过第二选择开关单元选通至少两个待测传感器R_s1、R_s2......R_sn中的一个进行阻值测量，提高了电阻式传感器阻值测量装置的灵活性。

实施例二

本发明实施例二提供了一种电阻式传感器阻值测量方法，该方法基于本发明实施例一所述的电阻式传感器阻值测量装置，图3为本发明实施例二提供的一种电阻式传感器阻值测量方法的流程图，如图3所示，电阻式传感器阻值测量方法包括：

S201、选通第一电阻，计算出待测传感器的第一测量值。

其中，第一电阻为测量电阻单元中任意一个测量电阻。示例性的，控制计算单元150控制第一选择开关单元110选通测量电阻单元120中的任一测量电阻作为分压电阻，并根据该测量电阻的阻值，计算出待测传感器160的第一测量值R_c1。示例性的，选通测量电阻R₁作为分压电阻，那么，待测传感器的第一测量值R_c1的计算公式为：

其中，Uc为待测传感器160的电压，即待测传感器160第一端相对于待测传感器160第二端的电位差，U为第一选择开关单元110的第一端与待测传感器160的第二端的电位差，U＝V_R-V₀，R₁为测量电阻R₁的阻值。

S202、确定第二电阻和第三电阻。

示例性的，在确定第一测量值R_c1小于测量电阻单元120中阻值最小的测量电阻R₁时，由于此时与待测传感器阻值最接近的测量电阻为R₁，因此，控制计算单元150控制选择开关单元110选通该阻值最小的测量电阻R₁作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值Rz：

在确定第一测量值大于测量电阻单元120中阻值最大的测量电阻R_n时，由于此时与待测传感器阻值最接近的测量电阻为R₁，控制计算单元150控制选择开关单元110选通该阻值最大的测量电阻R_n作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值Rz：

示例性的，当R₁≤R_c1≤R_n时，确定第一测量值R_c1位于那两个测量电阻之间。其中，R₁为测量电阻单元120中的阻值最小的测量电阻，R_n为测量电阻单元120中的阻值最大的测量电阻。即，第一测量值R_c1大于第二电阻R_i的阻值且小于第三电阻R_i+1的阻值，第二电阻R_i和第三电阻R_i+1为测量电阻单元120中阻值相邻的两个测量电阻。

S203、基于第二电阻和第三电阻，确定临界电阻。

当R₁≤R_c1≤R_n时，分压电阻将从第二电阻R_i和第三电阻R_i+1中选择。当第一测量值R_c1比较靠近第二电阻R_i时，选择第二电阻R_i作为分压电阻，当第一测量值R_c1的比较靠近第三电阻R_i+1时，选择第三电阻R_i+1作为分压电阻，从而获得最好的灵敏度。问题在于当第一测量值R_c1的在R_i和R_i+1之间比较居中位置的时候，如何选择分压电阻。显然，有一个临界电阻H_i，使得当R_c1＝H_i时，选择第二电阻R_i和第三R_i+1做分压电阻的灵敏度是相等的。

下面推导临界电阻H_i的计算公式。

以分压电阻R₁为例，说明灵敏度的计算。待测传感器R_s的阻值变化ΔR时，引起电压Uc的变化ΔV，则灵敏度

由此可知，选择分压电阻为R₁时，

所以有：

考虑到分母上的ΔR为一个无穷小值，因此有：

因为有：

所以有：

当R₁＝R_s时，上式中的小于等于号可以取等号。

存在一个临界电阻H_i，使得当R_c1＝H_i时，选择第二电阻R_i和第三电阻R_i+1做分压电阻的灵敏度是相等的。

选择第二电阻R_i作为分压电阻时，

选择第三电阻R_i+1作为分压电阻时，

令ΔV_i+1＝ΔV_i，则有：

化简上式可得：

所以有：

综上，以H₁，H₂，...，H_N-1，代表一系列电阻数值。它们的数值按下式确定：

S204、在确定第一测量值处于第二电阻和临界电阻之间时，选通第二电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

示例性的，当R_i≤R_c1≤H_i时，选通电阻R_i作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值

S205、在确定第一测量值处于临界电阻和第三电阻之间时，选通第三电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

示例性的，当H_i＜R_c1＜R_i+1时，选通电阻R_i+1作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值

本发明实施例提供的电阻式传感器阻值测量方法，通过控制计算单元控制第一选择开关单元选通测量电阻单元中的任一测量电阻作为分压电阻，并根据该测量电阻的阻值，计算出待测传感器的第一测量值R_c1；若第一测量值R_c1位于第二电阻R_i和第三电阻R_i+1之间，则判断第一测量值R_c1的与临界电阻H_i的关系，其中，

当R_i≤R_c1≤H_i时，选通R_i作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值；当H_i≤R_c1≤R_i+1时，选通R_i+1作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。本发明能够根据待测传感器的阻值，灵活地选择与待测传感器的阻值更接近的测量电阻作为分压电阻，提高待测传感器的阻值的测量灵敏度，提高气体浓度的测量值的精确度。

本发明实施例还提供了一种电阻式传感器阻值测量设备，该设备包括如本发明实施例一提供的电阻式传感器阻值测量装置，该电阻式传感器阻值测量装置可以集成于电阻式传感器阻值测量设备中。

于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电阻式传感器阻值测量装置，其特征在于，包括：第一选择开关单元、测量电阻单元、待测传感器连接端、电压测量单元及控制计算单元；其中，

所述第一选择开关单元的第一端用于提供第一固定电位；

所述测量电阻单元包括至少两个不同阻值的测量电阻，各所述测量电阻的第一端与所述第一选择开关单元的第二端连接，各所述测量电阻的第二端与所述待测传感器连接端连接；

所述待测传感器连接端用于连接待测传感器的第一端，所述待测传感器的第二端用于提供第二固定电位；

所述电压测量单元的第一端与所述待测传感器连接端连接，所述电压测量单元的第二端与所述控制计算单元连接，所述电压测量单元用于测量所述待测传感器的电压，并传输给所述控制计算单元；

所述第一选择开关单元的第三端与所述控制计算单元连接，所述控制计算单元用于控制所述第一选择开关单元选通测量电阻单元中的一个测量电阻作为分压电阻，以及计算待测传感器的阻值；

所述电阻式传感器阻值测量装置具体用于：

选通第一电阻，计算出所述待测传感器的第一测量值，第一电阻为所述测量电阻单元中任意一个测量电阻；

确定第二电阻和第三电阻，其中所述第一测量值大于所述第二电阻的阻值且小于所述第三电阻的阻值，所述第二电阻和第三电阻为所述测量电阻单元中阻值相邻的两个测量电阻；

基于所述第二电阻和第三电阻，确定临界电阻，其中，所述临界电阻为当选通所述第二电阻或第三电阻作为分压电阻，测量灵敏度相等时，计算出的待测传感器的测量值。

2.根据权利要求1所述的电阻式传感器阻值测量装置，其特征在于，还包括第二选择开关单元，所述第二选择开关单元的第一端与所述待测传感器连接端连接，所述第二选择开关单元的第二端与至少两个所述待测传感器连接，所述第二选择开关单元的第三端与控制计算单元连接，所述第二选择开关单元用于选通一个所述待测传感器。

3.根据权利要求1所述的电阻式传感器阻值测量装置，其特征在于，所述第一选择开关单元和第二选择开关单元为多选一模拟开关。

4.根据权利要求1所述的电阻式传感器阻值测量装置，其特征在于，所述待测传感器的第二端接地。

5.一种气体检测设备，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述的电阻式传感器阻值测量装置。

6.一种电阻式传感器阻值测量方法，其特征在于，基于权利要求1-4任一所述的电阻式传感器阻值测量装置，测量方法包括：

选通第一电阻，计算出待测传感器的第一测量值，所述第一电阻为所述测量电阻单元中任意一个测量电阻；

确定第二电阻和第三电阻，其中第一测量值大于所述第二电阻的阻值且小于所述第三电阻的阻值，所述第二电阻和第三电阻为所述测量电阻单元中阻值相邻的两个测量电阻；

基于所述第二电阻和第三电阻，确定临界电阻，其中，所述临界电阻为当选通所述第二电阻或第三电阻作为分压电阻，测量灵敏度相等时，计算出的待测传感器的测量值；

在确定所述第一测量值处于第二电阻和临界电阻之间时，选通所述第二电阻，计算出待测传感器的最终测量值；

在确定所述第一测量值处于临界电阻和第三电阻之间时，选通所述第三电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

7.根据权利要求6所述的电阻式传感器阻值测量方法，其特征在于，所述灵敏度的计算公式为：

其中，U为第一固定电位与第二固定电位的电位差，Rs为待测传感器的真实阻值。

8.根据权利要求6所述的电阻式传感器阻值测量方法，其特征在于，所述临界电阻的计算公式为：

其中，R_i为第二电阻的阻值，R_i+1为第三电阻的阻值。

9.根据权利要求6所述的电阻式传感器阻值测量方法，其特征在于，还包括：

在确定所述第一测量值小于测量电阻单元中阻值最小的测量电阻时，选通该阻值最小的测量电阻作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值；

在确定所述第一测量值大于测量电阻单元中阻值最大的测量电阻时，选通该阻值最大的测量电阻作为分压电阻，计算出待测传感器的最终测量值。

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