專(zhuān)利名稱(chēng)：溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于溫度振動(dòng)復(fù)合傳感器，特別涉及一種進(jìn)行溫度數(shù)字測(cè)量與振動(dòng)模擬測(cè)量的復(fù)合傳感器。
為了保障機(jī)器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，現(xiàn)代機(jī)器都需要對(duì)機(jī)器進(jìn)行溫度、振動(dòng)等某些參數(shù)的檢測(cè)，因此除使用各種單參數(shù)傳感器外，為滿(mǎn)足對(duì)同一檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多參數(shù)檢測(cè)的要求，近年來(lái)，又出現(xiàn)了復(fù)合傳感器，同時(shí)進(jìn)行多種物理量的檢測(cè)，如專(zhuān)利號(hào)為ZL98230752.6的振動(dòng)和溫度“復(fù)合傳感器”，又如美國(guó)PCB公司的T0601系列“溫度、加速度雙輸出型傳感器”，是一種內(nèi)部裝有電子調(diào)理器的、以電壓方式輸出溫度和振動(dòng)信號(hào)的、3線(xiàn)制的傳感器。
上述的復(fù)合傳感器中的溫度和振動(dòng)檢測(cè)輸出均為模擬輸出，其缺點(diǎn)之一是溫度檢測(cè)精度和價(jià)格受到溫度檢測(cè)敏感器的制約，如應(yīng)用AD590時(shí)，廉價(jià)的存在著較大的非線(xiàn)性、零位誤差和靈敏度誤差，難以達(dá)到檢測(cè)精度要求；精度滿(mǎn)足要求的價(jià)格昂貴；同時(shí)模擬輸出的溫度敏感器件的信號(hào)均未能對(duì)非線(xiàn)性、零位誤差和靈敏度誤差進(jìn)行修正。缺點(diǎn)之二在于振動(dòng)輸出信號(hào)或者是電荷方式，抗干擾能力較差；或者是電壓方式，需要提高供電電壓，以增強(qiáng)抗干擾能力，并且信號(hào)遠(yuǎn)傳的頻率響應(yīng)差。
為了解決溫度檢測(cè)模擬輸出存在的上述問(wèn)題，半導(dǎo)體器件制造廠(chǎng)商推出了以半導(dǎo)體能隙技術(shù)敏感溫度的、在同一硅片上帶有對(duì)敏感器件的零點(diǎn)、靈敏度和非線(xiàn)性誤差進(jìn)行修正的微處理器的、以單線(xiàn)數(shù)字通信輸入控制指令和輸出檢測(cè)數(shù)據(jù)的、以三線(xiàn)制方式工作的單溫度參數(shù)傳感器，如DS18B20。但是尚未見(jiàn)有以數(shù)字溫度敏感器件與模擬振動(dòng)敏感器件復(fù)合的傳感器面世。
本實(shí)用新型的任務(wù)，在于設(shè)計(jì)一種同時(shí)檢測(cè)溫度與振動(dòng)的、以數(shù)字溫度敏感器件與模擬振動(dòng)敏感器件復(fù)合的、可在低電壓下工作、3線(xiàn)制傳輸信號(hào)、抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)遠(yuǎn)傳的頻率響應(yīng)優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的溫度、振動(dòng)復(fù)合傳感器。
本實(shí)用新型是以如下方式實(shí)現(xiàn)的。
傳感器含有由底座1，頂蓋2組成的傳感器殼體，殼體內(nèi)封裝有數(shù)字式溫度傳感器件3，模擬振動(dòng)敏感器件——壓電晶片4，電路板5和三線(xiàn)制輸出輸入電纜6，溫度、振動(dòng)敏感器件3、4，電纜6以接線(xiàn)端子與電路板實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電聯(lián)結(jié)，溫度敏感器件以數(shù)字方式輸出溫度信號(hào)，采用電流方式輸出振動(dòng)信號(hào)，以提高輸出振動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力和頻率響應(yīng)性能，并實(shí)現(xiàn)3線(xiàn)制信號(hào)傳輸。為此電路板電路除有用于對(duì)本電路板各電路合理供電、對(duì)增益控制電路進(jìn)行置數(shù)控制的電源電路101外，其特征在于還含有用于將振動(dòng)敏感器件的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的阻抗變換器102，用于提高振動(dòng)敏感器件的偏置阻抗以保障低頻響應(yīng)的自舉偏置電路103，用于對(duì)非歸一化的振動(dòng)敏感器件的信號(hào)進(jìn)行放大以調(diào)整靈敏度到一致的增益控制電路104和將振動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并通過(guò)公用虛地線(xiàn)G輸出的電壓電流轉(zhuǎn)換電路105；供給傳感器的正電源從H端進(jìn)入傳感器，接至電壓電流轉(zhuǎn)換電路105、阻抗變換電路102和電源電路101的VDD端；電源電路101輸出的VCC端經(jīng)E端接溫度敏感器件3的電源端，還接自舉偏置電路103的VCC端、增益控制電路104的VCC端；為了在振動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)對(duì)增益控制電路的增益進(jìn)行加減置數(shù)，電源電路101的控制端CL，接到增益控制電路104的時(shí)鐘端/NC；為了使溫度敏感器件隨時(shí)可以輸出溫度數(shù)字信號(hào)，數(shù)字IO信號(hào)經(jīng)過(guò)F端，接到數(shù)字式溫度敏感器件3的數(shù)字IO信號(hào)的D端，為了在振動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)對(duì)增益控制電路的增益進(jìn)行加減控制，數(shù)字IO信號(hào)還接到增益控制電路104的U/D端；溫度敏感器件3的地線(xiàn)經(jīng)C端、振動(dòng)敏感器件4的一端經(jīng)B端、自舉偏置電路103的地線(xiàn)V-、增益控制電路104的地線(xiàn)VSS、阻抗變換電路102的地線(xiàn)VSS、電壓電流轉(zhuǎn)換電路105的地線(xiàn)VSS和其+輸入端接其傳感器虛地M；為了將振動(dòng)敏感器件產(chǎn)生的正比于所敏感的振動(dòng)的電荷在其接線(xiàn)片之間的電容上所產(chǎn)生的高內(nèi)阻抗的電壓變?yōu)榈洼敵鲎杩沟碾妷?，自舉偏置電路103的高阻偏置端Z和振動(dòng)敏感器件4的A端并接到具有很高輸入阻抗的阻抗變換器102的+輸入端；為了調(diào)整振動(dòng)靈敏度和將振動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)輸出，阻抗變換電路102的輸出端O1接到增益控制電路104的模擬輸入端HH，及電壓電流轉(zhuǎn)換電路105的“-”輸入端；為了實(shí)現(xiàn)增益控制，增益控制電路104的模擬輸出端WL接到阻抗變換電路102的負(fù)輸入端“-”，為了通過(guò)自舉技術(shù)提高自舉偏置電路103的高阻偏置端Z的視在阻抗，增益控制電路104的模擬輸出端WL還接到自舉偏置電路103的反饋端FF；電壓電流轉(zhuǎn)換電路105的輸出端O作為虛地接到本傳感器的模擬電路輸出端G。
本溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器在一個(gè)傳感器內(nèi)部同時(shí)以溫度高精度數(shù)字敏感器件檢測(cè)溫度和帶有歸一化模擬電路處理振動(dòng)敏感器件的信號(hào)，并僅用3條線(xiàn)對(duì)傳感器供電、以TTL電平的數(shù)字方式傳輸溫度數(shù)據(jù)和以電流方式傳輸振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了本實(shí)用新型的目的，并具有高可靠性和性能價(jià)格比高的優(yōu)點(diǎn)。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1本實(shí)用新型一實(shí)施例的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2本實(shí)用新型方案的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3、圖4、圖5、圖6分別為本實(shí)用新型實(shí)施例電路結(jié)構(gòu)圖。
圖1中示出了壓電晶片4，用螺釘7通過(guò)質(zhì)量塊8，上下絕緣片9，上、下引電片10壓裝在底座1上，上、下引電片上用導(dǎo)線(xiàn)焊接，另一端分別對(duì)應(yīng)焊接到電路板的A、B端上；溫度敏感器件3壓裝入底座1的對(duì)應(yīng)安裝孔中，其引線(xiàn)在電路板上對(duì)應(yīng)的焊接孔C、D、E中穿出，并焊接于C、D、E孔，電路板用螺釘11緊固在底座1上。帶插頭的三線(xiàn)電纜6通過(guò)電纜夾具12安裝到頂蓋2上，將電纜位于頂蓋內(nèi)側(cè)的三條線(xiàn)焊接于電路板上的F、G、H端口，底座與頂蓋配合面上涂密封膠，然后用螺釘13將頂蓋與底座連接，再鎖緊電纜夾具。
圖3所示傳感器是實(shí)施例一的電路結(jié)構(gòu)，其特征是電源電路101的輸入端VDD與其輸出VCC端短接，其實(shí)質(zhì)是傳感器內(nèi)省去了電源電路；用運(yùn)放N1構(gòu)成阻抗變換器102，電阻器R1～R4組成自舉偏置電路103，增益控制電路104簡(jiǎn)化為電阻器RN，其兩端分別為該電路的模擬輸入、輸出端HH、WL，電阻器R7～R9和運(yùn)放N2組成電壓電流轉(zhuǎn)換電路105。由于相應(yīng)省去了電源電路，因此數(shù)字式溫度敏感器件3的電源端經(jīng)過(guò)端子E，接到了正電源輸入端H；自舉偏置電路103的電阻器R1的一端作為該電路的VCC端接正電源輸入端H，另一端接電阻器R2，R2的另一端接傳感器虛地M，電阻器R1、R2的公共連接端并接電阻R4、R3的一端，R4的另一端即是本電路的高阻偏置端Z，Z端接到振動(dòng)敏感器件4的A端和阻抗變換器N1的“+”輸入端；電阻器R3的另一端即是該電路的反饋端FF，接到阻抗變換器N1的“-”輸入端和增益控制電路104的模擬輸出WL端；運(yùn)放N1構(gòu)成阻抗變換器102，其“+”“-”輸入端、輸出端O1、電源端VDD、地線(xiàn)端VSS即是阻抗變換器的相應(yīng)端口，并接向其應(yīng)與連接的端口處；電壓電流轉(zhuǎn)換電路105的電阻器R7的一端就是該電路的“-”輸入端，接到阻抗變換器的輸出端O1，另一端接運(yùn)放N2的“-”輸入端，還接到電阻器R8的一端，電阻器R8的另一端接到本電壓電流變換器的輸出端O；電阻器R9的一端就是本電壓電流轉(zhuǎn)換器的、也是本電路板的傳感器虛地M，另一端接本電壓電流轉(zhuǎn)換器的輸出端O；運(yùn)放N2的電源端VDD就是該電路的VDD端，接本電路板的電源輸入端H，N2的輸出端O2接到其電源端VDD或經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管V1接到VDD，N2的電源端VSS和正輸入端“+”接到電路板的傳感器虛地M。
為了免除了振動(dòng)測(cè)量模擬電路需要增設(shè)連接線(xiàn)的缺點(diǎn)，本電路的全部工作電流I在R9上的壓降，設(shè)計(jì)得遠(yuǎn)小于數(shù)字電路的邏輯低電平，當(dāng)模擬輸出端G在后續(xù)儀器輸入端接虛地或經(jīng)過(guò)小阻值開(kāi)關(guān)接儀器的虛地時(shí)，不影響數(shù)字電路的邏輯低電平，從而將數(shù)字式溫度敏感器件3的地線(xiàn)C設(shè)計(jì)為通過(guò)電阻器R9和模擬輸出端G接出。
為了使得振動(dòng)檢測(cè)電路N1有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，振動(dòng)檢測(cè)電路N1的輸入端由R1、R2偏置在比傳感器虛地高而比電源電壓VCC低的電平上，該點(diǎn)電平距離正電源VCC和傳感器虛地的電壓絕對(duì)值大于所需動(dòng)態(tài)范圍的峰值電壓與運(yùn)放N1的飽和電壓之和。
由于需要通過(guò)調(diào)整RN，由N1將壓電晶片的電荷在引電片之間的電容上所產(chǎn)生的電壓，以公式{X＝RN/[R3+(1/R2+1/R1)-1]+1}實(shí)現(xiàn)放大，而又不影響N1輸出端的工作點(diǎn)(等于R1、R2的分壓)，并將R4的視在阻抗提高到[1+(1/R2+1/R1)-1/R3]倍以改善低頻響應(yīng)，故此電路將器件R1、R2、R3、RN連接為如上所述的R3的一端接R1、R2的連接點(diǎn)，另一端接N1的負(fù)輸入端，RN接N1的負(fù)輸入端與輸出端之間；壓電晶片通過(guò)引電片和端子A、B接在N1的正輸入端和傳感器虛地M之間。
圖4所示是傳感器的實(shí)施例二電路結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步改善低頻響應(yīng)，需要提高自舉偏置電路的偏置端Z對(duì)外的交流阻抗，其特征在于其自舉偏置電路在實(shí)施例一的基礎(chǔ)上增加了電阻器R5、R6和電容器C1，R5串聯(lián)在R4與高阻偏置端Z之間，R4、R5的連接點(diǎn)接電容器C1的一端，C1的另一端接R6，R6的另一端接該電路的反饋端FF。
圖5所示是傳感器的實(shí)施例三的電路結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高模擬電路的動(dòng)態(tài)范圍，需要增大H端供給的正電源幅度而又不超過(guò)數(shù)字式溫度敏感器件3的允許電壓，其特征是電源電路101在實(shí)施例二的基礎(chǔ)上增加了穩(wěn)壓管W，而自舉偏置電路103省去電阻器R2，穩(wěn)壓值等于H端電壓VDD與溫度敏感器件3的允許電壓之差的穩(wěn)壓管W的正端作為該電路的VDD端，接電路板5的正電源端子H，W的負(fù)端作為該電路的VCC接溫度敏感器件3的電源端E和自舉偏置電路103的電阻器R1的一端。
圖6所示是傳感器實(shí)施例四的電路結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)測(cè)量靈敏度的數(shù)控歸一化調(diào)節(jié)，使所有的傳感器在經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后有基本相同的靈敏度從而保障互換性，其特征是在實(shí)施例三的基礎(chǔ)上，增益控制電路104用非易失性數(shù)字電位計(jì)POT(如具有64檔抽頭的X9C104)取代電阻器RN，電源電路101增加二極管V和電容器C2；數(shù)字電位計(jì)POT的電位計(jì)W和L端連接作增益控制電路104的WL端，數(shù)字電位計(jì)POT的電位計(jì)HH端作增益控制電路104的HH端，POT的VSS端作為增益控制電路的VSS端接傳感器虛地M，POT的正電源端VCC作為增益控制電路的VCC端接電源電路101的VCC端，POT的/NC端作為增益控制電路的/NC端，POT的/CS端(片選端)接其VSS端，POT的U/D端作為增益控制電路的U/D端，接電路板10的F端；電源電路101的二極管V串聯(lián)在VCC與W的負(fù)端之間，其正端與W的連接點(diǎn)就是電源電路的控制端CL，接到自舉偏置電路103的/NC端，其負(fù)端就是電源電路的輸出端VCC，電容器C2的正端接VCC，負(fù)端接傳感器虛地M。
當(dāng)傳感器進(jìn)行振動(dòng)校準(zhǔn)而需要調(diào)整POT的電位計(jì)的WL和HH端間的電阻時(shí)，可在F端為高、低電平的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)電位計(jì)加、減控制，通過(guò)H端發(fā)送低電平占空比不大于1/5的、頻率盡可能高的脈沖進(jìn)行操作，所發(fā)的脈沖數(shù)等于需要加、減的數(shù)字電位計(jì)檔數(shù)。該電位計(jì)通過(guò)上述調(diào)整后，數(shù)據(jù)保持不變。
本傳感器所涉及的數(shù)字式溫度敏感器件可以是以IC方式接口的溫度敏感器件，如DS18B20，也可以是以PWM方式輸出的溫度敏感器件，如TMP04。
權(quán)利要求1.一種溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，含有由底座(1)，頂蓋(2)組成的殼體，殼體內(nèi)封裝有數(shù)字式溫度敏感器件(3)，模擬振動(dòng)敏感器件——壓電晶片(4)，電路板(5)和三線(xiàn)制輸出輸入電纜(6)，溫度振動(dòng)敏感器件(3)、(4)，電纜(6)以接線(xiàn)端子與電路板(5)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電聯(lián)結(jié)；電路板電路除有電源電路(101)外，其特征是含有阻抗變換電路(102)、自舉偏置電路(103)、增益控制電路(104)和電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)；供給傳感器的正電源從H端子進(jìn)入傳感器，接至電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)、阻抗變換電路(102)和電源電路(101)的VDD端；電源電路(101)輸出的VCC端經(jīng)E端子接溫度敏感器件(3)的電源端和自舉偏置電路(103)、增益控制電路(104)的VCC端；電源電路(101)的控制端CL接到增益控制電路(104)的時(shí)鐘端/NC，自舉偏制電路(103)的高阻偏置端Z和振動(dòng)敏感器件(4)之A端并接到阻抗變換電路(102)的正輸入端；阻抗變換電路(102)的輸出端O1接增益控制電路(104)的模擬輸入端HH，還接到電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)的負(fù)輸入端；增益控制電路(104)的模擬輸出端WL接自舉偏置電路(103)的反饋端FF和阻抗變換電路(102)的負(fù)輸入端；電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)的輸出端O作為虛地接到本傳感器的模擬電路輸出端G。
2.按權(quán)利要求1所述的溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，其特征是電源電路(101)的輸入端VDD與輸出端VCC短接；用運(yùn)放N1構(gòu)成阻抗變換電路(102)；電阻器R1~R4組成自舉偏置電路(103)；增益控制電路(104)簡(jiǎn)化為電阻器RN，其兩端分別為該電路的模擬輸入輸出端HH、WL；電阻器R7~R9和運(yùn)放N2組成電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)；數(shù)字式溫度敏感器件(3)的電源端經(jīng)端子E接到了正電源輸入端H，自舉偏置電路(103)的電阻器R1的一端作為該電路的VCC端接正電源輸入端H，另一端接電阻器R2，R2的另一端接傳感器虛地M；R1、R2的公共連接端并接電阻R3、R4、的一端，R4的另一端是本電路的高阻偏置端Z，Z端接到振動(dòng)敏感器件(4)的A端和阻抗變換器N1的“+”輸入端；電阻器R3的另一端即是該電路的反饋端FF，接到阻抗變換器N1的“-”輸入端和增益控制電路104的模擬輸出WL端；運(yùn)放N1的“+”“-”輸入端、輸出端O1、電源端VDD、地線(xiàn)端VSS即是阻抗變換器的相應(yīng)端口，并接向其應(yīng)與連接的相應(yīng)端口處；電壓電流轉(zhuǎn)換電路(105)的電阻器R7的一端接到運(yùn)放N1的輸出端O1，另一端接運(yùn)放N2的“-”輸入端和電阻R8的一端，R8的另一端與R9并接到本電壓電流變換器的輸出端O，R9的另一端接傳感器的虛地M；運(yùn)放N2的VDD接電源輸入端H，N2的輸出端O2接到其電源端VDD或經(jīng)過(guò)一個(gè)二極管V1接到VDD，N2的地線(xiàn)端VSS和“+”輸入端接傳感器虛地M。
3.按權(quán)利要求2所述的溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，其特征在于其自舉偏置電路還含有電阻器R5、R6和電容器C1，R5串聯(lián)在R4與高阻偏置端Z之間，R4、R5的連接點(diǎn)接電容器C1的一端，C1的另一端接R6，R6的另一端接該電路的反饋端FF。
4.按權(quán)利要求3所述的溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，其特征是電源電路(101)含有穩(wěn)壓管W，而自舉偏置電路(103)省去電阻器R2，穩(wěn)壓值等于H端電壓VDD與溫度敏感器件(3)的允許電壓之差的穩(wěn)壓管W的正端作為該電路的VDD端，接電路板(5)的正電源端子H，W的負(fù)端作為該電路的VCC接溫度敏感器件(3)的電源端E和自舉偏置電路(103)的電阻器R1的一端。
5.按權(quán)利要求4所述的溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，其特征是增益控制電路(104)用非易失性數(shù)字電位計(jì)POT取代電阻器RN，電源電路(101)還含有二極管V和電容器C2；數(shù)字電位計(jì)POT的電位計(jì)W和L端連接作增益控制電路(104)的WL端，數(shù)字電位計(jì)POT的電位計(jì)HH端作增益控制電路(104)的HH端，POT的VSS端作為增益控制電路的VSS端接傳感器虛地M，POT的正電源端VCC作為增益控制電路的VCC端接電源電路(101)的VCC端，POT的/NC端作為增益控制電路的/NC端，POT的/CS端(片選端)接其VSS端，POT的U/D端作為增益控制電路的U/D端，接電路板(5)的F端；電源電路(101)的二極管V串聯(lián)在VCC與W的負(fù)端之間，其正端與W的連接點(diǎn)就是電源電路的控制端CL，接到自舉偏置電路(103)的/NC端，其負(fù)端就是電源電路的輸出端VCC，電容器C2的正端接VCC，負(fù)端接傳感器虛地M。
專(zhuān)利摘要一種溫度振動(dòng)數(shù)模復(fù)合傳感器，傳感器殼體內(nèi)封裝有數(shù)字溫度敏感器件和壓電晶片及電路板，其特征是電路板含有電源電路、阻抗變換電路、自舉偏置電路、增益控制電路和電壓電流轉(zhuǎn)換電路，傳感器以數(shù)字方式和電流方式及三線(xiàn)制實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)、自動(dòng)控制信號(hào)和電源的輸入輸出，具有抗干擾能力強(qiáng)、頻率響應(yīng)好和便于傳感器靈敏度調(diào)節(jié)等的歸一化處理的優(yōu)點(diǎn)，較現(xiàn)有技術(shù)有更高的可靠性和性能價(jià)格比。
文檔編號(hào)G01K7/00GK2527988SQ0123331
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2001年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月14日
發(fā)明者唐德堯 申請(qǐng)人:譚維克, 唐德堯