傳感器測量系統及傳感器測量信號的處理方法與流程

2023-10-06 14:55:24

本發明涉及測量技術領域，特別涉及一種傳感器測量系統及傳感器測量信號的處理方法。

背景技術：

線性傳感器是指在待測物理量保持不變時，傳感器的輸出信息與其輸入激勵呈線性變化關係的傳感器，比如稱重傳感器，溫度傳感器等均屬於線性傳感器。現有傳感器測量系統中，傳感器的輸出信息通常經過調理模塊適當調理後，進入後續處理模塊進行處理，最終得到待測物理量的測量值。

然而，本申請的發明人發現：由於線性傳感器的輸出信息與其輸入激勵存在線性關聯，故在實際使用中，傳感器對待測物理量的測量精度勢必會受到傳感器激勵精度的影響。這樣，為保證傳感器達到一定測量精度，就會對傳感器激勵提出較高要求。也就是說必須保證傳感器激勵擁有足夠精度或穩定度，才能保證傳感器的測量精度。因此，對於能夠提供的傳感器的激勵精度不夠高或者不夠穩定的場合，傳感器的使用也會受到很大限制。

技術實現要素：

本發明實施方式的目的在於提供一種傳感器測量系統及傳感器測量信號的處理方法，可以消除傳感器測量精度對傳感器激勵的依賴性，降低對傳感器激勵的要求，擴大傳感器適用場合。

為解決上述技術問題，本發明的實施方式提供了一種傳感器測量系統，包括：激勵模塊、傳感器、處理模塊和除法器；所述激勵模塊分別連接於所述傳感器和所述除法器；所述除法器用於根據所述激勵模塊的輸出信息對所述傳感器的輸出信息進行除法處理，並輸出至所述處理模塊。

本發明的實施方式還提供了一種傳感器測量信號的處理方法，包括：採集傳感器的激勵的輸出信息，採集所述傳感器的輸出信息；根據所述激勵的輸出信息對所述傳感器的輸出信息進行除法處理，根據所述除法處理之後的傳感器的輸出信息計算所述傳感器的測量值。

本發明實施方式相對於現有技術而言，在傳感器測量系統中加入了除法器，並利用除法器根據傳感器的激勵模塊的輸出信息對傳感器的輸出信息進行除法處理，從而消除了傳感器的激勵模塊對於傳感器的測量精度的影響，使得傳感器在其激勵精度不高或者不穩定的情況下，也能保持較佳的測量精度，提高了傳感器的適用範圍。

另外，所述傳感器測量系統還包括：調理模塊；所述調理模塊用於對所述傳感器的輸出信息進行調理並輸出至所述除法器；所述除法器用於對經所述調理模塊調理後的所述傳感器的輸出信息進行除法處理，並輸出至所述處理模塊。

另外，所述調理模塊用於對所述傳感器的輸出信息進行放大，並將放大後的所述傳感器的輸出信息輸出至所述除法器。

另外，所述傳感器測量系統還包括：調理模塊；所述調理模塊用於對經所述除法器處理之後的所述傳感器的輸出信息進行調理，並將調理之後的所述傳感器的輸出信息輸出至所述處理模塊。

另外，所述除法器包括運算放大單元和模擬乘法單元；所述傳感器的輸出信息輸出至所述運算放大單元；所述運算放大單元用於對所述接收到的所述傳感器的輸出信息放大後輸出至所述模擬乘法單元；所述激勵模塊的輸出信息輸出至所述模擬乘法單元；所述模擬乘法單元用於根據所述激勵模塊的輸出信息對經所述運算放大單元放大的所述傳感器的輸出信息進行除法處理。

另外，所述傳感器測量系統還包括：獲取模塊；所述獲取模塊用於在不對所述激勵模塊產生影響的前提下獲取所述激勵模塊的輸出信息，並將獲取到的所述激勵模塊的輸出信息提供給所述除法器；所述除法器用於根據所述獲取模塊提供的所述激勵模塊的輸出信息對所述傳感器的輸出信息進行除法處理。通過獲取模塊可以消除激勵模塊(位於外部)和除法器(位於內部)的直接耦合關係，提高除法器可靠性。

附圖說明

圖1是根據本發明第一實施方式傳感器測量系統的原理示意圖；

圖2是根據本發明第一實施方式傳感器測量系統的具體實施例的結構示意圖；

圖3是根據本發明第一實施方式調理模塊的電路結構示意圖；

圖4是現有技術傳感器測量系統激勵電壓Vex與調理模塊的輸出Vo1隨時間變化曲線示意圖；

圖5是根據本發明第一實施方式除法器的電路結構示意圖；

圖6是根據本發明第一實施方式傳感器測量系統激勵電壓Vex與除法器的輸出Vo2隨時間變化曲線示意圖；

圖7是根據本發明第二實施方式傳感器測量系統的結構示意圖；

圖8是根據本發明第三實施方式傳感器測量系統的結構示意圖；

圖9是根據本發明第三實施方式獲取模塊和除法器的電路結構示意圖；

圖10是根據本發明第三實施方式獲取模塊的另一種電路結構示意圖；

圖11是根據本發明第三實施方式傳感器測量信號的處理方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明的各實施方式進行詳細的闡述。然而，本領域的普通技術人員可以理解，在本發明各實施方式中，為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術細節。但是，即使沒有這些技術細節和基於以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現本申請所要求保護的技術方案。

本發明的第一實施方式涉及一種傳感器測量系統。如圖1所示，該傳感器測量系統10包括：激勵模塊101、傳感器102、除法器103和處理模塊104。激勵模塊101分別連接於傳感器102和除法器103。除法器103用於根據激勵模塊101的輸出信息對傳感器102的輸出信息進行除法處理，並輸出至處理模塊104。

本實施方式中，傳感器102為線性傳感器，舉例而言，傳感器102例如可以是溫度傳感器或者稱重傳感器。本實施方式對傳感器的具體類型不做限制。

本實施方式中，除法器包括運算放大單元和模擬乘法單元。傳感器102的輸出信息輸出至運算放大單元，運算放大單元用於對接收到的傳感器的輸出信息放大後輸出至模擬乘法單元。激勵模塊的輸出信息輸出至模擬乘法單元。模擬乘法單元用於根據激勵模塊的輸出信息對經運算放大單元放大的傳感器的輸出信息進行除法處理。

如圖2所示，在實際應用中，傳感器測量系統10還包括：調理模塊105。調理模塊105用於對傳感器102的輸出信息進行調理並輸出至除法器103。除法器103用於對經調理模塊105調理後的傳感器102的輸出信息進行除法處理，並輸出至處理模塊104。

本實施方式中，調理模塊105用於對傳感器102的輸出信息進行放大，並將放大後的傳感器102的輸出信息輸出至除法器103。對於線性傳感器而言，調理模塊用於對傳感器的輸出信息進行線性放大。

結合圖2所示，對本實施方式傳感器測量系統的工作原理進行說明如下：由線性傳感器的工作特性可知，線性傳感器的輸出So1＝C·Ex·Si。其中，C表示線性傳感器102自身線性係數，Ex表示激勵模塊101輸出到傳感器102的激勵(比如電壓、電流等)。Si表示待測物理量(比如溫度、重量等)。傳感器102的輸出信息So1輸出至調理模塊105進行線性調理，經調理模塊105調理後的輸出信息So2＝K·So1＝K·C·Ex·Si。其中，K表示調理模塊的線性調理係數。調理模塊的輸出信息So2輸出至除法器103進行處理，經除法器103處理後的輸出信息為經除法器103處理後的輸出信息So3輸出至處理模塊104進行相應處理。由前述處理過程可知，經過除法器的除法處理之後，消除了傳感器激勵對傳感器測量精度的影響。

現通過舉例對本實施方式傳感器測量系統的效果進行說明。具體而言，傳感器選用稱重傳感器，稱重傳感器的型號優選為：H9X3-G5-3.0t-7T-00S-A。激勵模塊的激勵電壓範圍優選為：直流5伏特～12伏特，稱重傳感器的靈敏度為：1.0000毫伏/伏特，稱重傳感器的額定量程為3噸。在本實施例中，假設激勵模塊的電壓的波動範圍在直流9.5伏特～10.5伏特之間，波動頻率為1Hz的正弦波動，來模擬傳感器激勵電壓的波動(實際波動為隨機，且波動速率遠小於1Hz)。在本實施例中，為便於比較，假設待測物體的重量w為3噸。

如圖3所示，為本實施例中調理模塊的電路原理圖。調理模塊用於對稱重傳感器的輸出信息(重量信號Si+、Si-)進行線性調理。該調理模塊使用ADI的AD8220儀表放大器晶片，其放大增益為根據稱重傳感器工作特性以及調理模塊的增益，可得調理模塊的輸出。稱重傳感器的激勵電壓以及調理模塊的輸出隨時間變化的曲線如圖4所示。

本實施例中，對應不同的激勵電壓值，調理模塊的輸出Vo1變化如表1所示。

表1

從圖4和表1可明顯看出，調理模塊的輸出Vo1會明顯隨著傳感器激勵電壓Vex的波動而改變。如此，處理模塊由Vo1得到的重量信息也會隨之改變，且稱重值會在理想值的±5％範圍內波動，造成稱重精度嚴重下降。

作為對比，根據本實施方式，在調理模塊和處理模塊之間增加一除法器。該除法器可由ADI的AD8661運算放大器和AD633模擬乘法器組成，如圖5所示。除法器輸出此時稱重傳感器的激勵電壓以及除法器的輸出Vo2隨時間變化的曲線如圖6所示。同時，對應不同的激勵電壓值，除法器的輸出Vo2變化如表2所示。

表2

從圖6和表2可明顯看出，除法器的輸出Vo2受傳感器激勵電壓Vex波動的影響極小。如此，處理模塊由Vo2得到的重量信息所受影響也極小，在精度允許前提下，可以認為稱重精度幾乎不受激勵電壓Vex波動影響。

綜上所述，通過對比可看出，基於本實施方式的傳感器測量系統基本消除了激勵電壓波動對測量精度的影響。

本實施方式與現有技術相比，通過在傳感器測量系統中加入除法器，並利用除法器根據激勵模塊的輸出信息對傳感器的輸出信息進行除法處理，從而消除傳感器測量精度對激勵精度的依賴性，降低對傳感器激勵的要求，擴大傳感器適用場合。

本發明的第二實施方式涉及一種傳感器測量系統。第二實施方式與第一實施方式大致相同，主要區別之處在於：在第一實施方式中，傳感器測量系統中通過調理模塊對傳感器的輸出信號進行調理後再輸出至除法器。而在本發明第二實施方式的傳感器測量系統中，傳感器的輸出信息直接輸出至除法器進行除法處理，經除法處理後的輸出信息再輸出至調理模塊進行調理。

如圖7所示，該傳感器測量系統10中，傳感器102連接於除法器103，除法器103連接於調理模塊105，調理模塊105連接於處理模塊104。傳感器的輸出信號輸出至除法器，除法器根據激勵模塊101的輸出信息對傳感器的輸出信息進行除法處理，經除法器處理之後的傳感器的輸出信息輸出至調理模塊105，調理模塊105用於對經除法器處理之後的傳感器102的輸出信息進行調理，並將調理之後的傳感器102的輸出信息輸出至處理模塊104。

本實施方式在傳感器的輸出信息的信號強度滿足條件的情況下，直接將傳感器的輸出信息輸出至除法器進行處理，豐富了本發明的實施方式。

值得一提的是，本實施方式中所涉及到的各模塊均為邏輯模塊，在實際應用中，一個邏輯單元可以是一個物理單元，也可以是一個物理單元的一部分，還可以以多個物理單元的組合實現。此外，為了突出本發明的創新部分，本實施方式中並沒有將與解決本發明所提出的技術問題關係不太密切的單元引入，但這並不表明本實施方式中不存在其它的單元。

本發明第三實施方式涉及一種傳感器測量系統，第三實施方式在第一或者第二實施方式的基礎上做出改進，主要改進之處在於：在第三實施方式中，傳感器測量系統還包括獲取模塊。獲取模塊能夠在不對激勵模塊產生影響的前提下獲取激勵模塊的輸出信息並提供給除法器使用，從而消除激勵模塊(位於外部)和除法器(位於內部)的直接耦合關係，提高除法器可靠性。

如圖8所示，本實施方式的傳感器測量系統包括：激勵模塊101、傳感器102、除法器103、處理模塊104、調理模塊105和獲取模塊106。

激勵模塊101分別連接於傳感器102和獲取模塊106，獲取模塊106連接於除法器103。調理模塊105用於對傳感器102的輸出信息進行調理並輸出至除法器103。除法器103用於對經調理模塊105調理後的傳感器102的輸出信息進行除法處理，並輸出至處理模塊104。本實施方式中，獲取模塊106用於在不對激勵模塊101產生影響的前提下獲取激勵模塊101的輸出信息，並將獲取到的激勵模塊101的輸出信息提供給除法器103。除法器103用於根據獲取模塊106提供的激勵模塊101的輸出信息對傳感器102的輸出信息進行除法處理。本實施方式增加的獲取模塊可以消除激勵模塊和除法器的直接耦合關係，提高除法器可靠性。

一般而言，激勵模塊為電壓型時，如果獲取模塊在獲取激勵信息時，消耗過多激勵電流會對激勵模塊產生影響，所以獲取模塊的輸入阻抗要足夠大。如圖9所示，為本實施方式獲取模塊以及除法器的一種電路結構示意圖。結合圖9所示，對本實施方式傳感器測量系統的工作原理進行說明如下：由線性傳感器的工作特性可知，線性傳感器的輸出So1＝C·Ex·Si。其中，C表示線性傳感器102自身線性係數，Ex表示激勵模塊101輸出到傳感器102的激勵(比如電壓、電流等)。Si表示待測物理量(比如溫度、重量等)。傳感器102的輸出信息So1輸出至調理模塊105進行線性調理，經調理模塊105調理後的輸出信息So2＝K·So1＝K·C·Ex·Si。其中，K表示調理模塊的線性調理係數。調理模塊的輸出信息So2輸出至除法器103進行處理，經除法器103處理後的輸出信息為獲取模塊106獲取激勵模塊的輸入Ex，並將獲取到的激勵Ex輸出Ex1至除法器103，其中，獲取模塊106的輸出信息Ex1＝Ex。經除法器103處理後的輸出信息So3輸出至處理模塊104進行相應處理。由前述處理過程可知，經過除法器的除法處理之後，消除了傳感器激勵對傳感器測量精度的影響。其中，採用AD8661運算放大器作為獲取模塊。由於運算放大器的輸入阻抗非常高，所以不會在獲取激勵模塊的輸出信息時，對激勵模塊產生影響。

如圖10所示為獲取模塊的另一種電路結構示意圖，圖9中，電阻R6、R7以及R8的阻值只要設置得足夠大，就可以實現本實施方式獲取模塊的功能。本領域技術人員亦知曉獲取模塊的其他實現形式，此處不再贅述。

本發明第四實施方式涉及一種傳感器測量信號的處理方法，如圖11所示，包括如下步驟：

步驟110：採集傳感器的激勵的輸出信息。

步驟112：採集傳感器的輸出信息。

步驟114：根據激勵的輸出信息對傳感器的輸出信息進行除法處理。

步驟116：根據除法處理之後的傳感器的輸出信息計算傳感器的測量值。

步驟110、112中，傳感器的輸出信息是對應於該傳感器的激勵的輸出信息的。步驟114中，在對傳感器的輸出信息進行除法處理之前，還可以先對傳感器的輸出信息進行線性調理，即對傳感器的輸出信息進行線性放大，並輸出至除法器，以滿足除法器對於信號強度的要求。當然，在傳感器的輸出信息的信號強度滿足要求的情況下，傳感器的輸出信息也可以直接輸出至除法器進行除法處理。

本發明實施方式，通過根據激勵的輸出信息對傳感器的輸出信息進行除法處理，消除了傳感器激勵和傳感器輸出信息之間的耦合關係，使得傳感器的測量精度不再受傳感器激勵波動的影響，有利於擴大傳感器的適用場合。

不難發現，本實施方式為與第一實施方式相對應的方法實施例，本實施方式可與第一實施方式互相配合實施。第一實施方式中提到的相關技術細節在本實施方式中依然有效，為了減少重複，這裡不再贅述。相應地，本實施方式中提到的相關技術細節也可應用在第一實施方式中。

上面各種方法的步驟劃分，只是為了描述清楚，實現時可以合併為一個步驟或者對某些步驟進行拆分，分解為多個步驟，只要包括相同的邏輯關係，都在本專利的保護範圍內；對算法中或者流程中添加無關緊要的修改或者引入無關緊要的設計，但不改變其算法和流程的核心設計都在該專利的保護範圍內。

本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。