专利名称：用于线性化非线性传感器的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于线性化非线性传感器的装置。更确切地说，用于将输出遵循非线 性响应曲线的传感器的输出转换为线性化读数输出的装置。更加确切地说，本发明涉及用 于对跨越很宽温度范围，即-40°C -200°c的NTC热敏电阻进行线性化的装置。
背景技术：
为了显示物理参数，比如温度、压力等的数值，必须采用通过改变可电气检测特性 而响应该参数的换能器。这样的特性包括温敏电阻变化和热电偶电压。大多数传感器在其 输出中都显示出显著的非线性，也就是传感器输出电压或电流明显地偏离与被监视输入现 象的线性关系。众所周知，热敏电阻和热电偶响应于线性温度上升展示出非线性输出增大。用于线性化非线性传感器输出的系统得知自US5274577。所介绍的处理器用于监 视其输出信号响应于受监视现象中的线性变化遵循非线性曲线的传感器。所述处理器将所 述输出信号转换为与受监视现象成正比的线性输出值。非线性传感器信号在数字化后被线 性化。不仅如此，为了校正输入范围内的非线性，也存在着各种种类的模拟线性化设备。 模拟线性化设备对有限数量的传感器类型在限定的输入范围内提供足够的准确度。公知的 模拟线性化设备以电阻器的数值和响应曲线的每段所特有的斜率/偏移存储所需要的校 正信息，所述电阻器在响应曲线的各段之间设置断点。典型情况下，模拟线性化电路具有八 个或更少的段，并且能够在普通经历的输入范围内，将大多数温感元件线性化到几度之内。 US 6099163公开了一种用于校正电子温度传感器的非线性输出的电路。Jain L. C. StJ "Thermistor-Based Linear temperature-to-voltageconverter" ，Measurement，Institute of measurement and control. London，GB, vol. 7，no. 3，1July 1989，page 132/133和US-A-5116136公开了一种用于通过使用对数放大器线性化非线性 传感器的装置。对数放大器执行放大，其中输出电压是输入电压的自然对数的K倍。W02006/135977公开了一种用于将传感器输出拟合到预定关系的方法。微处理器 经由AD转换器读取跨越热敏电阻的电压。许多偏置电阻在微处理器控制下与热敏电阻串 联。有效的偏置电阻每刻都在变化。微处理器每次读取一个跨越与偏置电阻之一相关联的 热敏电阻的电压。微处理器形成读出电压的加权和。当使用任何一个偏置电阻时，向AD转 换器提供的跨越该热敏电阻的电压具有的特征响应于所公开温度范围内温度线性变化遵 循曲线，其中该曲线是非线性的。CO2空气调节(A/C)系统对“制冷”和“热泵”功能都能够支持。热泵功能允许A/ C系统加热而不是仅仅制冷例如轿车的内部。在“制冷”模式下，散热器制冷A/C系统中的 C02。当“制冷”模式下的CO2温度接近150°C时，A/C系统将是最高效的。在“热泵”模式下， 散热器不得不加热A/C系统中的C02。散热器的温度越低，该系统的效率将越高。不过，只 有当散热器入口处的CO2温度在0°C以上时散热器才将正常工作。温度一到0°C以下，散热 器上将会结冰，导致散热器加热功能的退化。所以，在C02A/C系统中需要温度传感器，0°C和150°C左右的温度它都能够准确地测量。不仅如此，还期望在两个温度区域中传感器输出的 温度敏感性都是线性的并在相同的范围。
发明内容
本发明的目标是提供一种用于线性化非线性传感器输出的改进装置。本发明的另一个目标是提供一种用于非线性传感器输出的高准确度、宽范围线性 化装置，所述装置允许使一个温度传感器准确测量允许co2A/C系统既包括制冷功能又包括 热泵功能的高低温度。本发明的又一个目标是提供一种线性化装置，所述装置提供的数字输出信号具有 的响应曲线在跨越所述现象的整个范围内的斜率基本上是常数并且没有不连续点。所介绍的装置用于线性化非线性传感器，所述非线性传感器的输出信号响应于预 定义范围内被监视现象中的线性变化遵循非线性曲线。所述非线性曲线可以由指数或对数 函数近似。所述装置包括模拟转换单元以转换来自所述非线性传感器的信号而得到转换后 的信号，其中所述转换具有基本上对数或指数的传输特性，并且所述转换后信号具有的特 性响应于所述预定范围内所述现象中的所述线性变化遵循线性化曲线，其中所述线性化曲 线可以由线性函数近似。不仅如此，所述转换单元还包括pn结，并且所述转换电路被安排 为测量通过所述非线性传感器的电流并将所述电流交换到通过所述pn结的电流。通过所 述pn结的电流与通过所述非线性传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是 跨越所述pn结的电压。在以上叙述的现有技术模拟线性化电路中，对数放大器用于线性化 表示温度的非线性电压信号。对数放大器包括至少运算放大器、电阻器和晶体管。晶体管 包括至少两个pn结。根据本发明，在所述转换单元中需要最少一个pn结以执行所述非线 性传感器信号的线性化。pn结的电流/电压特性用于将通过所述非线性传感器遵循指数曲 线的电流转换为跨越所述pn结的电压。这种转换是对数函数。以这种方式，通过所述非线 性传感器的所述电流的指数传输曲线被变换为具有或多或少线性的传输曲线的电压信号。根据实施例，所述装置进一步包括AD转换器，所述AD转换器具有传感器信号输入 以接收所述转换后的信号并将所述转换后的信号数字化以获得数字信号值；被安排为产生 第一参考信号的第一参考信号产生器，其中所述第一参考信号对应于所述跨越pn结的电 压。所述pn结匹配所述转换单元的pn结。第一预定义电流通过所述pn结馈入。所述装 置进一步包括被安排为产生第二参考信号的第二参考信号产生器，其中所述第二参考信号 对应于所述跨越Pn结的电压。所述第二参考信号产生器的pn结匹配所述转换单元的pn 结。第二预定义电流通过所述Pn结馈入。所述AD转换器包括耦接到所述第一参考信号产 生器的第一参考信号输入，以及耦接到所述第二参考信号产生器的第二参考信号输入。所 述AD转换器被安排为产生数字信号值，所述数字信号值对应于所述传感器信号输入Vpn ntc 与所述第一参考信号输入Vpnl之间的电压差，以及所述第二参考信号输入Vpn2与所述第一 参考信号输入Vpnl之间的电压差。通常公知，跨越结的电压依赖于所述结的饱和电流和温 度。不仅如此，通常也公知，所述饱和电流是温度相关的。正常情况下，周围温度可以波动。 这些波动将导致所述结的温度波动，使得所述转换后的信号依赖于所述周围温度。这些特 点提供了两个信号。一个依赖于由所述传感器所测量的现象和所述第一参考信号产生器的 所述pn结的结温度，而另一个信号仅仅依赖于第一和第二参考信号产生器二者的所述pn结的结温度。在两个信号中，所述饱和电流的影响都被显著降低，使得所述信号对所述转换 单元内的温度波动不太敏感。在进一步的实施例中，所述转换器的所述Pn结以及所述第一 和第二参考信号产生器的pn结都在同一芯片上。采用这些特征降低了所述数字信号值中 所述转换单元的所述pn结的所述饱和电流的温度敏感性。同一芯片上的结基本上将具有 相同的温度。作为这个现象的结果，实质上消除了对所述饱和电流的依赖性及其对应的温 度的依赖性。根据实施例，所述AD转换器进一步被安排为产生数字信号值，所述数字信号值对 应于所述第一参考信号输入Vpnl与所述传感器信号输入Vpn nt。之间的电压差，以及所述第一 参考信号输入Vpnl与所述第二参考信号输入Vpn2之间的电压差。这些特征使我们能够消除 差分AD转换器中的漂移。根据实施例，所述装置进一步包括处理单元，被安排为处理所述数字信号值以获 得所述现象的值。在实施例中，所述处理单元被安排执行以下公式
权利要求
1.一种用于线性化非线性传感器的装置，所述装置包括-非线性传感器，其能够提供具有响应于预定义范围内现象中的线性变化遵循曲线的 特性的信号，其中所述曲线能够由指数或对数函数近似；以及-模拟转换单元，其转换来自所述非线性传感器的所述信号，以获得转换后的信号，其 中转换具有基本上对数或指数的传输特性，并且所述转换后的信号具有响应于所述预定范 围内所述现象中的所述线性变化遵循线性化曲线的特性，其中所述线性化曲线能够由线性 函数近似；其特征在于，所述转换单元包括pn结，并且所述转换单元被安排为测量通过所述非线性传感器的 电流并将所述电流交换到通过所述pn结的电流，通过所述pn结的电流与通过所述非线性 传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是跨越所述pn结的电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置进一步包括-AD转换器，其具有输入，以接收所述转换后的信号并数字化所述转换后的信号以获得 数字信号值；-被安排为产生第一参考信号的第一参考信号产生器，其中所述第一参考信号对应于 跨越Pn结的电压，其中所述pn结匹配所述转换单元的pn结，并且第一预定义电流通过所 述pn结馈入；-被安排为产生第二参考信号的第二参考信号产生器，其中所述第二参考信号对应于 跨越Pn结的电压，其中所述pn结匹配所述转换单元的pn结，并且第二预定义电流通过所 述pn结馈入；以及其中所述AD转换器包括耦接到所述第一参考信号产生器的第一参考 信号输入，以及耦接到所述第二参考信号产生器的第二参考信号输入，所述AD转换器被安 排为产生对应于所述传感器信号输入Vpn nt。与所述第一参考信号输入Vpnl之间的电压差 (vpn_ntc-vpnl)以及所述第二参考信号输入Vpn2与所述第一参考信号输入Vpnl之间的电压差 (Vpn2-Vpnl)的数字信号值。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述转换器的pn结以及第一和第二参考信号产 生器的pn结在同一芯片上。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述AD转换器进一步被安排为产生对应于所述 第一参考信号输入Vpnl与所述传感器信号输AVpnnt。之间的电压差(Vpnl-Vpnnte)以及所述第 一参考信号输入Vpnl与所述第二参考信号输入Vpn2之间的电压差(Vpnl-Vpn2)的数字信号值。
5.根据权利要求2至4中任何一项所述的装置，其中，所述装置进一步包括处理单元， 所述处理单元被安排为用于处理所述数字信号值，以获得表示所述现象的数字值。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述处理单元被安排为执行以下公式
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述处理单元被安排为对表示所感测到的现象 的数字输出信号计算数值，方式为将所述ratio的值应用到数字域中的多项式，以响应于 所述预定义范围中所述现象中的线性变化进一步线性化所述数字输出信号的曲率。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的装置，其中，所述非线性传感器包括传感元 件，所述传感元件由电导率随所述现象的值增加而上升的材料制成。
9.根据权利要求1至7中任何一项所述的装置，其中，所述非线性传感器是NTC热敏电阻。
10.根据权利要求1至9中任何一项所述的装置，其中，所述现象是温度。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置被安排为产生响应于_40°C至200°C 的范围内温度中的线性变化遵循线性曲线的数字输出信号。
全文摘要
公开了一种用于线性化来自非线性传感器的信号的装置，所述装置包括非线性传感器，其能够提供具有的特性响应于现象中的线性变化遵循指数曲线的信号；模拟转换单元，其对数地转换来自非线性传感器的信号，以获得转换后的信号。所述转换单元包括pn结，并且所述转换单元被安排为测量通过所述非线性传感器的电流并将所述电流交换到通过所述pn结的电流，通过所述pn结的电流与通过所述非线性传感器的电流具有线性关系，并且所述转换后的信号是跨越所述pn结的电压。以这种方式，能够在宽温度范围上用低成本的线性AD转换器以低成本高分辨率数字化非线性传感器的特性如NTC热敏电阻的电阻值，以实现宽温度范围上准确的温度测量。
文档编号G01K7/25GK102099662SQ200980128117
公开日2011年6月15日 申请日期2009年5月27日 优先权日2008年5月28日
发明者P·T·J·根尼森, T·蒂耶克 申请人:森萨塔科技公司