提高传感器灵敏度的方法与流程
本发明涉及提高传感器灵敏度的方法，属于传感器灵敏度技术领域。
背景技术：
传感器是一种检测装置，能感受规定的被测量量并按照一定的规律转换成可用信号。传感器可完成信息的传输、处理、存储、显示、记录、控制等多重要求，具有微型化、数字化、智能化等多种功能，是实现自动化的第一环。
传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路及辅助电源四部分组成。其中，敏感元件直接用于测量，并输出与被测量量有关的物理量信号；敏感元件主要包括热敏、光敏、湿敏、气敏、力敏、声敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大类；转换元件用于将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号；变换电路用于将转换元件输出的电信号进行放大、调制等处理；辅助电源用于为系统(主要是敏感元件和转换元件)提供能量。
作为传感器的重要性能指标之一，灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化对输入量变化的比值。传感器的灵敏度越高，就能得到越高的测量精度。随着科技的发展，对传感器提出了更高的要求；而目前包括温度传感器、压力传感器、光电传感器在内的多种传感器都存在灵敏度有待提高的问题。
目前，用于提高上述种类传感器灵敏度的技术方案多从物理结构层面做改进来提高传感器的灵敏度。例如，在申请公布号为cn108760144a的发明专利中提出一种提高压力电子传感器灵敏度的柔性膜，通过这种柔性膜的作用可以将压力传感器的灵敏度提高；在申请公布号为cn101943614a的发明专利中提出一种提高光纤光栅温度传感器灵敏度的装置及方法，核心内容为在传感器底部放置一种增敏基底，以此来提高灵敏度；在申请公布号为cn108548619a的发明专利中提出一种基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，具体是通过向压阻式传感器中引入碎片化结构来提高灵敏度；在申请公开号为cn101464188a的发明专利中提出一种提高光电传感器灵敏度的方法，核心内容是在光电传感器前施加了一束高频调制参考光作为参考，使所述的高频调制参考光与被测光信号一起通过光电传感器转换成电信号后，再依次经过放大和模数转换得到数字信号，最后经过换算还原待测信号；此外还有很多针对具体种类传感器灵敏度提高的方法，但基本都是从物理结构的角度来对传感器进行改善，而且所述的方法大都只是用于特定种类的传感器，不具有普遍适用性。不仅如此，这些方法大都增加了设备的复杂性，还可能带来成本大幅增加的问题。
因此，提供一种结构简单、具有普遍适用性的提高传感器灵敏度的方法实为必要。
技术实现要素：
针对现有传感器用于提高灵敏度的技术手段通常是从物理结构的角度对传感器进行改进，不具有通用性，并会增加设备结构复杂度的问题，本发明提供一种提高传感器灵敏度的方法。
本发明的一种提高传感器灵敏度的方法，包括：
设置n级级联电路，每一级级联电路包括一个减法器和一个运算放大器；n为不小于3的整数；
采用n级级联电路对传感器输出电压信号进行处理，在级联电路输出端获得放大电压信号；并且对传感器输出电压信号变化量，在级联电路输出端可获得预期倍数的电压放大变化量；从而提高传感器的灵敏度；
所述预期倍数为每一级级联电路中运算放大器放大倍数的乘积。
根据本发明的提高传感器灵敏度的方法，
级联电路输出端获得的放大电压信号vout(2n)为：
vout(2n)＝ivout(2n-1)，式中i为第n级运算放大器的放大倍数；
vout(2n-1)＝vout(2n-2)-vkn；vkn表示第n级减法器的被减量。
根据本发明的提高传感器灵敏度的方法，
所述n级级联电路包括三级级联电路。
根据本发明的提高传感器灵敏度的方法，
在级联电路输出端获得预期倍数的电压放大变化量的过程包括：
设定一级减法器、二级减法器及三级减法器的输出量分别为vout1、vout3及vout5；一级运算放大器、二级运算放大器及三级运算放大器的输出量分别为vout2、vout4及vout6；并且一级运算放大器、二级运算放大器及三级运算放大器的放大倍数分别为a、b及c；传感器输出电压信号为v01，传感器输出电压信号变化量δvin，级联电路输出端获得的电压放大变化量为δvout；
对于传感器输出电压信号为v01，三级级联电路的处理过程包括：
vout1＝v01-vk1，
vout2＝a*vout1，
vout3＝vout2-vk2，
vout4＝b*vout3，
vout5＝vout4-vk3，
vout6＝c*vout5＝abc*v01-abc*vk1-bc*vk2-c*vk3，
式中vk1为一级减法器的被减量，vk2为二级减法器的被减量，vk3为三级减法器的被减量；
当传感器输出电压信号变化量为δvin时，三级级联电路的输入信号变化为v01+δvin，则三级级联电路的处理过程包括：
v′out1＝v01+δvin-vk1，
v′out2＝a*v′out1，
v′out3＝v′out2-vk2，
v′out4＝b*v′out3，
v′out5＝v′out4-vk3，
v′out6＝c*v′out5
＝abc*v01-abc*vk1-bc*vk2-c*vk3+abc*δvin，
＝vout6+δvout
式中v′out1为输入信号变化为v01+δvin时一级减法器的输出量，v′out3为输入信号变化为v01+δvin时二级减法器的输出量，v′out5为输入信号变化为v01+δvin时三级减法器的输出量，v′out2为输入信号变化为v01+δvin时一级运算放大器的输出量，v′out4为输入信号变化为v01+δvin时二级运算放大器的输出量，v′out6为输入信号变化为v01+δvin时三级运算放大器的输出量；
计算得到级联电路输出端获得的电压放大变化量为δvout为：
δvout＝abc*δvin。
本发明的有益效果：本发明方法适用于对多种种类传感器灵敏度的提高，它在现已发展成熟的传感器输出的电压信号后处理过程中加入多级减法器与运算放大器，可将灵敏度成倍数的提高。本发明方法从数字和模拟混合处理的角度入手，不同于传统的具体种类传感器灵敏度提高的方法，尤其适用于输出信号为电压信号的多种传感器。
本发明方法可以将传感器的灵敏度提高到所有运算放大器的放大倍数的乘积倍，不仅具有效果明显、容易实现等优点，同时还能够大大降低成本，具有广泛市场应用价值。本发明方法不受限于传感器的种类、应用场合等等。
附图说明
图1是采用本发明方法获得的传感器灵敏度示意图；
图2是以三级级联电路为例，对传感器输出电压信号进行处理的框图；图中减法器1表示一级减法器，运算放大器1表示一级运算放大器，减法器2表示二级减法器，运算放大器2表示二级运算放大器，减法器3表示三级减法器；运算放大器3表示三级运算放大器；
图3是采用n级级联电路对传感器输出电压信号进行处理的框图；图中减法器n表示n级减法器，运算放大器n表示n级运算放大器；
图4是本发明的工作原理图；
图5是本发明中传感器的工作原理图；
图6是以三级级联电路为例，传感器灵敏度变化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1至图6所示，本发明提供了一种提高传感器灵敏度的方法，包括：设置n级级联电路，每一级级联电路包括一个减法器和一个运算放大器；n为不小于3的整数；
采用n级级联电路对传感器输出电压信号进行处理，在级联电路输出端获得放大电压信号；并且对传感器输出电压信号变化量，在级联电路输出端可获得预期倍数的电压放大变化量；从而提高传感器的灵敏度；
所述预期倍数为每一级级联电路中运算放大器放大倍数的乘积。
结合图5所示，本实施方式中所述的传感器通常最终都输出一个电压信号，通过对该电压信号的后续处理就可以还原出被测量量。灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量的变化对输入量的变化的比值。如果在输入量变化相同的条件下，将输出量的变化提高，则意味着传感器的灵敏度被提高。本实施方式的重点就是通过减法器与运算放大器的多级级联电路来提高传感器输出电压信号的变化量，通过提高该输出信号的变化量就可以提高传感器的灵敏度。
结合图1所示，假设传感器输入量即被测量量为x，经过传感器后输出量为v01,若输入量变化量为δx、对应的传感器输出信号变化量为δvin,此时输入量为x+δx,输出信号为v01+δvin，根据传感器灵敏度的定义，此时传感器的灵敏度为
增加本发明的级联电路后，若传感器输出的信号v01输入到该电路中，减法器和运算放大器的输出信号分别为vout1、vout2、vout3、vout4、vout5、vout6，最终的输出信号为vout6；若将传感器的输出信号v01+δvin输入到该电路中，最终的输出信号为vout6+δvout。此时的传感器输入量变化量仍为δx，但对应的最终输出信号变化量变为δvout，则此时的传感器灵敏度为
进一步，结合图3所示，级联电路输出端获得的放大电压信号vout(2n)为：
vout(2n)＝ivout(2n-1)，式中i为第n级运算放大器的放大倍数；
vout(2n-1)＝vout(2n-2)-vkn；vkn表示第n级减法器的被减量。
图3所示，传感器输出的电压信号作为后续级联电路的输入信号，该信号依次通过多级减法器、运算放大器后输出。所述传感器输出的电压信号是指已经由与传感器一体的放大器放大过的可被检测的电压信号，而不是由传感器被测量量激发起的微小电压信号。若传感器输出的电压信号有一个小的变化量，则经过级联电路数据处理后该变化量将被放大n1倍，n1为级联电路中所有运算放大器的放大倍数的乘积。传统传感器的输出信号经过运算放大器后可能存在电压饱和的问题，即放大后的输出信号可能大于运算放大器的电源电压，这时最终的输出信号就变为运算放大器的外加电压。本发明方法中，先将传感器的输出信号通过减法器做差后再输入到运算放大器进行放大，一个减法器加一个运算放大器为一个小的数据处理整体，通过多个这样的结构级联，不仅可以保障输出信号不会超过运算放大器所能输出的最大电压，同时还能将最初的输入信号进行线性放大。也就是说，在传感器输入量变化相同的情况下，通过本发明所提出的方法，可以将输出量变化成倍提高，即可以将传感器灵敏度成倍提高。
图4所示，使待测信号通过传感器1的作用输出一个电压信号，传感器1输出的电压信号又作为一级减法器2的输入信号，再经一级运算放大器3处理，……及至进入n级减法器4与n级运算放大器5，最后得到的信号经过模数转换器6与计算机数据处理及显示终端7处理就可以得到被测量量的具体数值。
作为示意，结合图6所示，所述n级级联电路包括三级级联电路。
再进一步，结合图6所示，以三级级联电路为例，在级联电路输出端获得预期倍数的电压放大变化量的过程包括：
设定一级减法器、二级减法器及三级减法器的输出量分别为vout1、vout3及vout5；一级运算放大器、二级运算放大器及三级运算放大器的输出量分别为vout2、vout4及vout6；并且一级运算放大器、二级运算放大器及三级运算放大器的放大倍数分别为a、b及c；传感器输出电压信号为v01，传感器输出电压信号变化量δvin，级联电路输出端获得的电压放大变化量为δvout；
对于传感器输出电压信号为v01，三级级联电路的处理过程包括：
vout1＝v01-vk1，
vout2＝a*vout1，
vout3＝vout2-vk2，
vout4＝b*vout3，
vout5＝vout4-vk3，
vout6＝c*vout5＝abc*v01-abc*vk1-bc*vk2-c*vk3，
式中vk1为一级减法器的被减量，vk2为二级减法器的被减量，vk3为三级减法器的被减量；
在传感器的输入信号有一个小的变化量时，传感器输出电压信号会产生δvin的变化量，此时三级级联电路的输入信号变化为v01+δvin，则三级级联电路的处理过程包括：
v′out1＝v01+δvin-vk1，
v′out2＝a*v′out1，
v′out3＝v′out2-vk2，
v′out4＝b*v′out3，
v′out5＝v′out4-vk3，
v′out6＝c*v′out5
＝abc*v01-abc*vk1-bc*vk2-c*vk3+abc*δvin，
＝vout6+δvout
式中v′out1为输入信号变化为v01+δvin时一级减法器的输出量，v′out3为输入信号变化为v01+δvin时二级减法器的输出量，v′out5为输入信号变化为v01+δvin时三级减法器的输出量，v′out2为输入信号变化为v01+δvin时一级运算放大器的输出量，v′out4为输入信号变化为v01+δvin时二级运算放大器的输出量，v′out6为输入信号变化为v01+δvin时三级运算放大器的输出量；
计算得到级联电路输出端获得的电压放大变化量为δvout为：
δvout＝abc*δvin。
在不采用本发明级联电路对传感器输出信号进行处理时，若传感器输入量变化相同，输出量变化大小仅为δvin，增加本发明方法中的级联电路以后，将传感器的输出变化量放大为abc*δvin，意味着传感器的灵敏度被提高了abc倍。
下面对传感器的灵敏度的获得进行详细的说明：假设传感器输出的电压信号与被测温度之间的关系为：v＝h*ktb，式中v表示输出的电压信号，h为常系数，与整个测试系统有关；k为波尔兹曼常数，t为被测温度，b为带宽；本实施例中所述的传感器用于被动毫米波成像系统中，属于微波领域。
若传感器所能检测的最小温度为δt0′，对应的电压信号变化量为δvout′，此时传感器的灵敏度为
v01＝h*kt0b，t0为初始温度；
δvin＝h*kδt0b，δt0为温度变化量；
则：δvout＝abc*hkδt0b，
进一步处理，有：
若不在传感器的输出端加入减法器与运算放大器，则
若令δvout＝δvout′，则
即温度灵敏度提高为原来的abc倍。
本发明方法可具体描述为：
1)传感器检测被测量量后产生一个微小电压信号，该微小电压信号经过放大器放大后输出为一个可被检测的输出电压信号，该输出电压信号作为输入信号输入到本发明所提出的多级减法器与运算放大器的级联电路中；
2)该输入信号首先通过减法器，得到一个输出信号vout1，之后再经过运算放大器的作用，输出vout2，一个减法器联合一个运算放大器为一个小的数据处理过程，经过多级数据处理之后得到一个最终的输出信号；
3)若传感器输出信号的变化量为δv,也即减法器与运算放大器级联电路的输入信号变化量为δv，则经过本发明所提出的数据处理过程之后的输出信号的变化量将为n1*δv,其中n1为数据处理电路中所有运算放大器的放大倍数的乘积；
4)根据提高后的传感器输出信号的变化量，再结合具体种类传感器被测量量与电压信号之间的关系，就可以得到真实测量量的变化量，即为传感器所能检测的被测量量的变化量。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
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