一种新型压力和湿度传感器读出电路的制作方法

本发明涉及传感器技术等领域，具体的说，是一种新型压力和湿度传感器读出电路。

背景技术：

传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人们需要探知的各种非电量信息转化成可测的电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。随着现代测量、控制和自动化技术的不断发展，传感器技术已越来越为人们所重视，与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，是信息产业的重要基础，它是测量技术、半导体技术、计算机技术、信息处理技术、微电子学、光学、声学、精密机械、仿生学和材料学等众多学科相互交叉的综合性前沿技术之一，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。

电容型湿敏传感器和电阻型压力传感器是传感器家族中一类重要的传感器。传统的传感器读出电路将传感器信号经过接口电路转化，分别读取不同传感器的信号值。

技术实现要素：

本发明的目的在于设计出一种新型压力和湿度传感器读出电路，将压力传感器和湿度传感器的敏感信号进行转化并合成统一信号，实现了信号的融合与高效利用，避免噪声干扰和有利于远距离传输。

本发明通过下述技术方案实现：一种新型压力和湿度传感器读出电路，包括压敏电阻电桥单元、湿敏电容接口电路单元、信号脉宽调制处理电路和信号调制处理电路，所述压敏电阻电桥单元连接信号脉宽调制处理电路，信号脉宽调制处理电路和湿敏电容接口电路单元皆与信号调制处理电路相连接。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号脉宽调制处理电路包括两个仪表放大器、三角波生成器、比较器，其中一个仪表放大器通过三角波生成器与比较器的一个输入端相连接，另一个仪表放大器与比较器的另一个输入端相连接，比较器的输出端连接信号调制处理电路。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述三角波生成器与比较器的反相输入端相连接。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：与三角波生成器相连接的仪表放大器的输出电压与温度变化成正比，与比较器直接相连接的仪表放大器的输出电压与压力变化成正比。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号调制处理电路包括与信号脉宽调制处理电路输出相连接的电平转换器，且电平转换器还与湿敏电容接口电路单元的输出相连接。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号脉宽调制处理电路输出信号的幅值与湿敏电容接口电路单元的输出同步。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述湿敏电容接口电路单元包括开关电容电路及连接在开关电容电路上的湿敏电容cs。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述开关电容电路采用基本积分电路结构。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述压敏电阻电桥单元包括恒流源和压敏电阻网络，恒流源与压敏电阻网络和信号脉宽调制处理电路的输入端相连接，压敏电阻网络与信号脉宽调制处理电路的输入端相连接。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：压敏电阻网络包括两个正向压敏电阻和两个负向压敏电阻，且正向压敏电阻的一端与负向压敏电阻的一端相连接组成环网，任意三个正向压敏电阻和负向压敏电阻相连接的共接端连接信号脉宽调制处理电路的输入端。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明将压力传感器和湿度传感器的敏感信号进行转化并合成统一信号，实现了信号的融合与高效利用，避免噪声干扰和有利于远距离传输。

(2)本发明基于脉冲信号调制原理，通过全新的信号处理方式，实现了多传感器信号融合与高效利用，更好避免噪声干扰和有利于信号远距离传输，同时通过压力传感器提取出温度信息，实现测温功能。

(3)本发明通过信号转换，使输出信号具有如下特点：输出信号占空比与压力变化成输出信号频率与温度信号成正比，输出信号信号幅值与相对湿度成正比，实现了信号融合。

附图说明

图1是本发明电路图。

其中，10-压敏电阻电桥单元，20-信号脉宽调制处理电路，30-湿敏电容接口电路单元，40-信号调制处理电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通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方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1：

本发明提出了一种新型压力和湿度传感器读出电路，将压力传感器和湿度传感器的敏感信号进行转化并合成统一信号，实现了信号的融合与高效利用，避免噪声干扰和有利于远距离传输，如图1所示，特别采用下述设置方式：包括压敏电阻电桥单元10、湿敏电容接口电路单元30、信号脉宽调制处理电路20和信号调制处理电路40，所述压敏电阻电桥单元10连接信号脉宽调制处理电路20，信号脉宽调制处理电路20和湿敏电容接口电路单元30皆与信号调制处理电路40相连接。

所述压敏电阻电桥单元10对外界压力信号进行探测使压敏电阻阻值改变，并输出电压值vb和vo，vb电压值与温度变化成正比，vo电压值与压力变化成正比。

所述湿敏电容接口电路单元20探测外界湿度信号使其电容值改变，输出电压值vc。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号脉宽调制处理电路20包括两个仪表放大器、三角波生成器、比较器，其中一个仪表放大器通过三角波生成器与比较器的一个输入端相连接，另一个仪表放大器与比较器的另一个输入端相连接，比较器的输出端连接信号调制处理电路40。

作为优选的设置方案，信号脉宽调制处理电路20包括两个仪表放大器(仪表放大器a和仪表放大器b)、三角波生成器、比较器；优选的，仪表放大器a通过三角波生成器与比较器的一个输入端相连接，仪表放大器b与比较器的另一个输入端相连接，比较器的输出端连接信号调制处理电路40。

优选的，仪表放大器a输入电桥信号vb、仪表放大器b输入电桥信号vo,经仪表放大器a放大后输出信号为vt、经仪表放大器b放大后输出信号为vp，且vt与温度变化成正比，vp与压力变化成正比；所述三角波生成器将输入的vt信号转换成频率与vt成正比三角波信号，即三角波频率与温度变化成正比，输出到比较器的一端(优选反相输入端)；比较器将另一端(优选同相输入端)输入的vp信号与反相输入端输入的三角波信号进行信号调制，输出占空比与压力变化成正比的方波信号vcom，同时vcom信号频率与温度变化成正比。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述三角波生成器与比较器的反相输入端相连接。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：与三角波生成器相连接的仪表放大器的输出电压与温度变化成正比，与比较器直接相连接的仪表放大器的输出电压与压力变化成正比。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号调制处理电路40包括与信号脉宽调制处理电路20输出相连接的电平转换器，且电平转换器还与湿敏电容接口电路单元30的输出相连接。

所述信号调制处理电路40包括电平转换电路，该电平转换电路将输入vcom和vc进行调制，使方波信号幅值与vc同步，最终输出期望vout。

实施例6：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述信号脉宽调制处理电路20输出信号的幅值与湿敏电容接口电路单元30的输出同步。

实施例7：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述湿敏电容接口电路单元(30)包括开关电容电路及连接在开关电容电路上的湿敏电容cs。

实施例8：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述开关电容电路采用基本积分电路结构。

实施例9：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述压敏电阻电桥单元10包括恒流源和压敏电阻网络，恒流源与压敏电阻网络和信号脉宽调制处理电路20的输入端相连接，压敏电阻网络与信号脉宽调制处理电路20的输入端相连接。

作为优选的设置方案，压敏电阻电桥单元10包括恒流源(io)和压敏电阻网络(正向压敏电阻r1+、正向压敏电阻r2+、负向压敏电阻r1-、负向压敏电阻r2-组成)，恒流源与压敏电阻网络和信号脉宽调制处理电路20的输入端相连接，压敏电阻网络与信号脉宽调制处理电路20的输入端相连接。

实施例10：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：压敏电阻网络包括两个正向压敏电阻(正向压敏电阻r1+、正向压敏电阻r2+)和两个负向压敏电阻(负向压敏电阻r1-、负向压敏电阻r2-)，且正向压敏电阻的一端与负向压敏电阻的一端相连接组成环网，任意三个正向压敏电阻和负向压敏电阻相连接的共接端连接信号脉宽调制处理电路20的输入端。

作为优选的设置方案，正向压敏电阻r1+同负向压敏电阻r2-的共接端为gnd，正向压敏电阻r2+和负向压敏电阻r2-的共接端为v+，正向压敏电阻r2+和负向压敏电阻r1-连接恒流源(io)的正端和仪表放大器a的一个输入端，仪表放大器a的另一个输入端连接vref；正向压敏电阻r1+、负向压敏电阻r1-的共接端为v-；正向压敏电阻和负向压敏电阻，其阻值随温度变化；湿敏电容cs的电容值不随温度变化。

所述开关电容电路采用基本积分电路结构；仪表放大器采用典型的三仪表运放结构；三角波生成器采用压控振荡器结构；比较器采用典型的五管运放结构，增大输入输出范围；电平转换电路采用简单的单向电平转换结构。

实施例11：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，如图1所示，一种新型压力和湿度传感器读出电路，包括压敏电阻电桥单元10，湿敏电容接口电路单元20，所述压敏电阻电桥单元10包括恒流源(io)和压敏电阻网络(正向压敏电阻r1+、正向压敏电阻r2+)和两个负向压敏电阻(负向压敏电阻r1-、负向压敏电阻r2-构成)；所述压敏电阻电桥单元10对外界压力信号进行探测使压敏电阻阻值改变，并输出电压值vb和vo，vb电压值与温度变化成正比，vo电压值与压力变化成正比。所述湿敏电容接口电路单元20包括湿敏电容cs和开关电容电路；所述湿敏电容探测外界湿度信号使其电容值改变，输出电压值vc。

所述新型压力和湿度传感器读出电路还包括信号脉宽调制处理电路20和信号调制处理电路40；

所述信号脉宽调制处理电路20包括仪表放大器(仪表放大器a和仪表放大器b)、三角波生成器、比较器，其中：仪表放大器a输入电桥信号vb、仪表放大器b输入电桥信号vo,经仪表放大器a放大后输出信号为vt、经仪表放大器b放大后输出信号为vp，且vt与温度变化成正比，vp与压力变化成正比；所述三角波生成器将输入的vt信号转换成频率与vt成正比三角波信号，即三角波频率与温度变化成正比，输出到比较器的反相输入端；比较器将同相输入端输入的vp信号与反相输入端输入的三角波信号进行信号调制，输出占空比与压力变化成正比的方波信号vcom，同时vcom信号频率与温度变化成正比。

所述信号调制处理电路40包括电平转换电路，该电平转换电路将输入vcom和vc进行调制，使方波信号幅值与vc同步，最终输出期望vout。

所述压力和湿度传感器读出电路的工作原理为：

压力传感器分为正向压敏电阻(正向压敏电阻r1+、正向压敏电阻r2+)其阻值为：r+＝r+δrp+δrt和负向压敏电阻(负向压敏电阻r1-、负向压敏电阻r2-构成)，其阻值为：r+＝r-δrp+δrt，其中r为压敏电阻初始值，δrp为外界压力引起的阻值变化量，δrt为温度引起的阻值变化量。在压敏电阻电桥单元10中，电流源(恒流源io)为电桥供电，则电桥输出信号vb＝io·(r+δrt)vo＝io·δrp,，则vb电压值与温度变化成正比，vo电压值与压力变化成正比，实现了敏感信号提取。将这两个信号经过仪表放大器(仪表放大器a、仪表放大器b)进行放大输出vt、vp而其比例关系则不变，即vt与温度变化成正比，vp与压力变化成正比。再次对两信号进行信号处理，即用电压控制的三角波生成器将vt信号转换成频率与vt成正比三角波信号，同时基于脉冲宽度调制原理，将该三角波与vp输入比较器，产生占空比与vp成正比的方波信号。由脉冲宽度调制原理可知，vcom占空比与vp成正比，其频率与vt成正比，即vcom信号的占空比与压力变化成正比，频率与温度变化成正比，实现了信号处理与融合。

同时湿敏电容cs为电容信号，采用基本的开关电容电路处理后，得到输出信号vc与电容变化成正比，将该信号与vcom信号整合，采用电平转换技术，让vcom信号的幅值与vc相同，产生最终输出vout信号。至此vout信号具有占空比与压力变化成正比，频率与温度变化成正比，幅值与电容变化成正比，一个输出信号包含三个信号量，实现传感器信号探测功能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。