一种气压高度开关温度补偿系统的制作方法

本发明涉及气压开关领域，具体是涉及一种气压高度开关温度补偿系统。

背景技术：

目前，需要一种气压开关，该气压开关适用于8km高度范围的气压检测，该压力开关用作氧气阀门的开关，当飞机座舱的高度在8km以上时，接通电磁阀，开始供应氧气，当座舱高度在8km以下时，断开电磁阀，切断氧气的供应。

气压开关主要核心部件是由气压传感器和开关驱动组成。目前国内机载常用的气压开关类型是基于扩散硅晶体的传感器，这样的传感器以飞思卡尔、霍尼韦尔等外资产品居多。产品的控制驱动电路主要是采用单片机进行温度补偿和开关控制，而能够满足军工级需求的单片机也是以国外居多。最近贸易战的过程中，由于产品禁运对我国的军用和工业产品造成的很大影响。为此在此设计中我们采用国产气压传感器和模拟温度补偿电路来替代对外资品牌的依赖性。

根据需求：产品需要实现8150m到8350m的高度开关对地打开，根据公式：

此处对应的压强为33.8kpa-34.8kpa，关闭条件低于开启条件的100-300m之间，具体如图1所示。

由此可见设计需求中8250100m的，对应的误差在500pa。那么针对传感器的选型时需要选择选用量程10-110kpa以内，精度0.1％的传感器。为此在设计中我们选择了满足需求的传感器主要是飞思卡尔mxp系列和国产的进行了对比，对比结果显示：国产传感器在量程、输入电压、输出电压、过载气压、破坏气压、响应时间等参数皆可与飞思卡尔传感器有着相同的参数性能，为此在设计中选择国产的fb001传感器。

根据军用产品手册的要求电子产品的温度必须在-55到120度范围，国内外能采购到的常规传感器温度补偿范围一般是-40到85度，图2和图3分别是飞思卡尔温度补偿范围和国产传感器温度曲线图。

从图3可知，国产传感器主要在-40到85℃之间做了一次补偿，对于高度压力开关的温度工作-55到85℃的需求，还是不满足，为此我们需要在传感器内部针对-55到0℃之间做二次补偿电路,从而实现在-55到85℃温度范围1％fs的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种气压高度开关温度补偿系统，该技术方案解决了国产气压高度开关在-55～40℃区间工作环境输出数值精度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

一种气压高度开关温度补偿系统，应用于气压高度开关，气压高度开关包括有气压传感器和驱动单元，气压传感器感受被测气体的压力高低变化，将产生的信号传输至驱动单元，驱动单元对采集到的信号进行处理，并在处理完后输出信号给执行元件；

温度补偿系统包括有电源转化单元、温控开关和信号运算电路；

电源转化单元将输入电压转换为规定大小的输出电压，并将其提供给温控开关和信号运算电路；

温控开关感受被测气体的温度高低变化，在低温时开启并将产生的信号传输至信号运算电路，信号运算电路利用温控开关输入的信号通过预设的温度修正参数对气压传感器输入的信号进行修正，并将修正后的信号传输给驱动单元。

优选的，温控开关包括有温度传感器、第二信号比较器和开关；温度传感器感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号通过开关传输至信号运算电路，同时温度传感器将产生的信号传输至第二信号比较电路；第二信号比较器对温度传感器输入的信号进行比较，并且向开关发出开闭信号。

优选的，电源转换单元包括有电源、共模滤波器、稳压管、第三电阻、第一差模电感、第二差模电感、第三差模电感；

电源的正极端依次通过第一差模电感、第三电阻、共模滤波器的第一芯线外接线端、共模滤波器的第二芯线外接线端与稳压管的输入端电连接；

电源的负极端依次通过第二差模电感、共模滤波器的第一屏蔽层外接线端、共模滤波器的第二屏蔽层外接线端与地线电连接；

稳压管的接地端与地线电连接，温控开关和信号运算电路的正极端均与稳压管的输出端电连接。

优选的，电源转换单元还包括有压敏电阻和自恢复保险丝,压敏电阻的两端分别与电源的两端电连接，自恢复保险丝的两端分别与压敏电阻的输入端、第一差模电感的输入端电连接。

优选的，自恢复保险丝的输出端和第一差模电感的输入端之间串联有二极管，二极管的输入端与自恢复保险丝的输出端电连接。

优选的，二极管和第一差模电感之间、第三电阻和共模滤波器之间、共模滤波器和稳压管之间、稳压管与第三差模电感之间、温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感之间均串联有至少一个电容与地线电连接。

优选的，第三电阻与共模滤波器之间、温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感之间均串联有一个esd保护二极管与地线电连接，esd保护二极管的输入端与地线电连接。

优选的，二极管与第一差模电感之间依次串联有第三低通滤波电容、第二电阻与机壳电连接，第二电阻的输入端串联有第四低通滤波电容与地线电连接。

优选的，第二信号比较电路包括有第二信号比较器、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七点租、第八电阻、第十二低通滤波电容和第十三低通滤波电容，温度传感器的输出端依次通过第四电阻和第五电阻与第二信号比较器的负端电连接，第十二低通滤波电容的一端与第四电阻和第五电阻的连接处电连接，第十三低通滤波电容的一端与第五电阻和第二信号比较器的连接处电连接，第十二低通滤波电容和第十三低通滤波电容的另一端均与地线电连接；电源转化单元的输出端通过第六电阻与第二信号比较器的正端电连接，第二信号比较器的输出端通过第八电阻与驱动单元的输入端电连接，第七点租的两端分别与第二信号比较器的负端和输出端电连接。

优选的，第二信号比较器为滞回比较器。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

电源转化单元将线束端子输入电压转换为规定大小的输出电压，并将其提供给气压传感器、驱动单元、温控开关和信号运算电路；现有的国产气压传感器仅能够实现-40～85℃工作环境输出高精度数值的需求，但不能够实现-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求，所以需要对气压传感器输出的信号进行二次温度补偿，当气温在0～85℃时，信号运算电路直接将气压传感器输入的信号传输给驱动单元，当气温在-55～0℃时，温控开关开启并向信号运算电路输出气体温度信号，信号运算电路利用温控开关输入的信号通过预设的温度修正参数对气压传感器输入的信号进行补偿修正；预设的温度修正参数获得方法：首先测试并记录不同温度条件下，气压传感器获取的气体压力；其中标准温度为t0，气压传感器测试值为p0；t1、t2、t3和t4为不同的温度值，记录t1、t2、t3、t4温度下气压传感器测试值p1、p2、p3、p4；根据公式pm＝axtm+b；用最小二乘拟合算法，得到温度修正参数a、b的数值；将tm温度下的气压传感器测试值拟合到标准温度为t0下的压力值，再根据公式p＝pm-ax(tm-t0)；即可得到二次温度补偿后的压力测试值；正式开始压力监测时，信号运算电路调用气体传感器对应的温度修正参数a、b，对气体压力数据进行二次温度补偿修正，即得到第二次温度补偿后的压力值，第二次温度补偿后的压力值为高精度、高稳定的数值；信号运算电路将修正后的信号传输给驱动单元。

本发明相比较于现有技术，实现了国产气压高度开关在-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求。

附图说明

图1为气压误差曲线；

图2为飞思卡尔传感器温度补偿范围；

图3为fb001传感器温度曲线图；

图4为本发明的气压高度开关结构图；

图5为本发明的气压高度开关温度补偿系统图；

图6为本发明的电压转换电路；

图7为本发明的稳压电路；

图8为本发明的信号对比电路；

图9为本发明的隔离驱动电路；

图中标号为：

t1-共模滤波器；

rv1-压敏电阻；r2-第二电阻；r3-第三电阻；r4-第四电阻；r5-第五电阻；r6-第六电阻；r7-第七点租；r8-第八电阻；

f1-自恢复保险丝；

d1-二极管；d2-第一esd保护二极管；d3-第二esd保护二极管；

l1-第一差模电感；l2-第二差模电感；l3-第三差模电感；

c1-第一低通滤波电容；c2-第二低通滤波电容；c3-第三低通滤波电容；c4-第四低通滤波电容；c5-第五低通滤波电容；c6-第六低通滤波电容；c7-第七低通滤波电容；c8-第八低通滤波电容；c9-第九低通滤波电容；c1-第十低通滤波电容；c11-第十一低通滤波电容；c12-第十二低通滤波电容；c13-第十三低通滤波电容；

u1b-第二信号比较器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图4所示的一种气压高度开关，包括有壳体、硬件电路和线束端子，硬件电路固定安装在壳体内部，线束端子贯穿壳体与硬件电路电连接；

硬件电路包括有电路板和集成在电路板上的气压采集单元、温度采集单元、温度补偿单元、驱动单元；

线束端子，用于传输外部电力给硬件电路，同时将驱动单元的信号对外输出；

气压采集单元感受被测气体的压力高低变化，将产生的信号传输至温度补偿单元；

温度采集单元感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号传输至温度补偿单元，

温度补偿单元通过温度采集单元输入的信号对气体采集单元输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元；

驱动单元对采集到的信号进行处理，并在处理完后通过线束端子输出信号。

壳体，用于安装电路板和电子元器件；气压采集单元，用于将当前高度的气压转化为电压信号；温度采集单元，用于将当前的气体温度转化为电压信号；温度补偿单元，利用温度采集单元输入的信号，使用对应的温度修正参数对气体采集单元输入的信号进行补偿修正，对驱动单元输出高精度、高稳定的数值；驱动单元，用于处理采集到的信号并在处理完后输出信号。

气压采集单元为硅压阻式压力传感器，温度采集单元包括有第一温度传感器，温度补偿单元包括有一次温度补偿电路；第一温度传感器感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号传输至一次温度补偿电路；一次温度补偿电路通过第一温度传感器输入的信号对气体采集单元输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元。

硅压阻式压力传感器，用于感受被测气体的压力高低变化，将产生的信号传输至一次温度补偿电路；第一温度传感器，用于采集环境温度并将信号传输给一次温度补偿电路；一次温度补偿电路，用于实现电路平衡和温度补偿，并将修正后的数据传输给驱动单元。

温度采集单元还包括有第二温度传感器，温度补偿单元还包括有二次温度补偿电路；第二温度传感器感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号传输至二次温度补偿电路；二次温度补偿电路通过第二温度传感器输入的信号对一次温度补偿电路输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元。

当气温在0～85℃时，二次温度补偿电路直接将一次温度补偿电路输入的信号传输给驱动单元，当气温在-55～0℃时，二次温度补偿电路通过第二温度传感器输入的信号对一次温度补偿电路输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元，从而实现了气压采集单元-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求。

气压采集单元为气压传感器，温度采集单元包括有二次温度补偿电路；气压传感器感受被测气体的压力高低变化，将产生的信号传输至二次温度补偿电路；第二温度传感器感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号传输至二次温度补偿电路；二次温度补偿电路通过第二温度传感器输入的信号对气压传感器输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元。

由于现有的国产气压传感器内部均包括有硅压阻式压力传感器、第一温度传感器和一次温度补偿电路，所以对于硅压阻式压力传感器、第一温度传感器和一次温度补偿电路的组合，可以直接采购现有的国产气压传感器；同时现有的国产气压传感器仅能够实现-40～85℃工作环境输出高精度数值的需求，但不能够实现-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求，所以需要第二温度传感器和二次温度补偿电路对气压传感器输出的信号进行二次温度补偿，当气温在0～85℃时，二次温度补偿电路直接将气压传感器输入的信号传输给驱动单元，当气温在-55～0℃时，二次温度补偿电路通过第二温度传感器输入的信号对气压传感器输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给驱动单元，从而实现了气压采集单元-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求。

壳体的材料为航空铝材。

航空铝材能够形成良好的屏蔽，避免外界环境对内部电路的影响。

电路板的介质材料为fr4。

fr4环氧玻纤布基板的机械性能、尺寸稳定性、抗冲击性、耐湿性能比纸基板高，它的电气性能优良，工作温度较高，本身性能受环境影响小，适用于制作双面pcb。

相比较于研发一种具有一次温度补偿电路和二次温度补偿电路的气压传感器，对现有的气压传感器进行改进，通过第二温度传感器和二次温度补偿电路构成的温度补偿系统对其进行改造要更加容易，所以优选方案为研发国产气压传感器的温度补偿系统。

如图5所示的一种气压高度开关温度补偿系统，应用于气压高度开关；

温度补偿信号处理单元包括有电源转化单元、温控开关和信号运算电路；

电源转化单元将输入电压转换为规定大小的输出电压，并将其提供给气压传感器、温控开关、信号运算电路、驱动单元；

温控开关感受被测气体的温度高低变化，在低温时开启并将产生的信号传输至信号运算电路，信号运算电路利用温控开关输入的信号通过预设的温度修正参数对气压传感器输入的信号进行修正，并将修正后的信号传输给驱动单元。

电源转化单元将线束端子输入电压转换为规定大小的输出电压，并将其提供给气压传感器、驱动单元、温控开关和信号运算电路；

现有的国产气压传感器仅能够实现-40～85℃工作环境输出高精度数值的需求，但不能够实现-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求，所以需要对气压传感器输出的信号进行二次温度补偿，当气温在0～85℃时，信号运算电路直接将气压传感器输入的信号传输给驱动单元，当气温在-55～0℃时，温控开关开启并向信号运算电路输出气体温度信号，信号运算电路利用温控开关输入的信号通过预设的温度修正参数对气压传感器输入的信号进行补偿修正；

预设的温度修正参数获得方法：首先测试并记录不同温度条件下，气压传感器获取的气体压力；其中标准温度为t0，气压传感器测试值为p0；共模滤波器t1、t2、t3和t4为不同的温度值，记录共模滤波器t1、t2、t3、t4温度下气压传感器测试值p1、p2、p3、p4；根据公式pm＝axtm+b；用最小二乘拟合算法，得到温度修正参数a、b的数值；

将tm温度下的气压传感器测试值拟合到标准温度为t0下的压力值，再根据公式p＝pm-ax(tm-t0)；即可得到二次温度补偿后的压力测试值；正式开始压力监测时，信号运算电路调用气体传感器对应的温度修正参数a、b，对气体压力数据进行二次温度补偿修正，即得到第二次温度补偿后的压力值，第二次温度补偿后的压力值为高精度、高稳定的数值；

信号运算电路将修正后的信号传输给驱动单元，从而实现了气压高度开关在-55～85℃区间工作环境输出高精度数值的需求。

驱动单元包括有第一信号比较电路和隔离驱动电路，第一信号比较电路对温度补偿单元输入的信号进行处理，并在处理完后输出信号给隔离驱动电路，隔离驱动电路通过线束端子输出信号。

第一信号比较电路用于对温度补偿单元输入的信号与预设的阈值进行比较，根据比较结果对隔离驱动电路输出高电平或低电平，隔离驱动电路根据输入信号的电平高低通过线束端子输出信号，从而开启或关闭执行单元。

温控开关包括有温度传感器、第二信号比较器和开关；温度传感器感受被测气体的温度高低变化，将产生的信号通过开关传输至信号运算电路，同时温度传感器将产生的信号传输至第二信号比较电路；第二信号比较器对温度传感器输入的信号进行比较，并且向开关发出开闭信号。

常温状态下，开关关闭，信号运算电路直接将气压传感器输入的信号传输给驱动单元；当环境温度比较极端时，温度传感器输出的信号超出第二信号比较器预设的阈值，第二信号比较器开启开关，温度传感器通过开关输出信号给信号运算电路，信号运算电路对气压传感器输入的信号进行二次温度补偿。

如图6和图7所示，电源转换单元包括有电源、共模滤波器t1、稳压管、第三电阻r3、第一差模电感l1、第二差模电感l2、第三差模电感l3；

电源的正极端依次通过第一差模电感l1、第三电阻r3、共模滤波器t1的第一芯线外接线端、共模滤波器t1的第二芯线外接线端与稳压管的输入端电连接；

电源的负极端依次通过第二差模电感l2、共模滤波器t1的第一屏蔽层外接线端、共模滤波器t1的第二屏蔽层外接线端与地线电连接；

稳压管的接地端与地线电连接，温控开关和信号运算电路的正极端均与稳压管的输出端电连接。

为了提高采样精度，参考电压需要低纹波系数，稳压管用于将16v电压转换为5v，共模滤波器t1用于滤除信号线上共模电磁干扰，同时抑制本身不向外发出电磁干扰，避免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作；第一差模电感l1、第二差模电感l2和第三差模电感l3用于隔离交流系数，实现降低电压纹波的作用；第三电阻r3为高精电阻，实现信号的高精度转换。

电源转换单元还包括有压敏电阻rv1和自恢复保险丝f1,压敏电阻rv1的两端分别与电源的两端电连接，自恢复保险丝f1的两端分别与压敏电阻rv1的输入端、第一差模电感l1的输入端电连接。

压敏电阻rv1主要用于在电路承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。从而实现电压控制在合理范围之内，防止过压，起到过压保护的作用；自恢复保险丝f1，用于当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高形成高阻态，从而自动断开电路，防止升高的电流有可能损坏电路中的某些重要器件或贵重器件，同时防止烧毁电路造成火灾，故障排除后，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护，无须人工更换。

自恢复保险丝f1的输出端和第一差模电感l1的输入端之间串联有二极管d1，二极管d1的输入端与自恢复保险丝f1的输出端电连接。

当电源接反时，二极管d1呈现高阻抗，从而实现电源接反时的保护功能。

二极管d1和第一差模电感l1之间、第三电阻r3和共模滤波器t1之间、共模滤波器t1和稳压管之间、稳压管与第三差模电感l3之间、温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感l3之间均串联有至少一个电容与地线电连接。

二极管d1和第一差模电感l1之间串联有第一低通滤波电容c1和第二低通滤波电容c2与地线电连接，第三电阻r3和共模滤波器t1之间串联有第五低通滤波电容c5与地线电连接，共模滤波器t1与稳压管之间串联有第六低通滤波电容c6、第七低通滤波电容c7、第八低通滤波电容c8与线电连接，稳压管与第三差模电感l3之间串联有第九低通滤波电容c9和第十低通滤波电容c1与地线电连接，温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感l3之间串联有第十一低通滤波电容c11与与地线电连接，第一低通滤波电容c1、第二低通滤波电容c2、第五低通滤波电容c5、第六低通滤波电容c6、第七低通滤波电容c7、第八低通滤波电容c8、第九低通滤波电容c9、第十低通滤波电容c1、第十一低通滤波电容c11均为低通滤波电容，用于抑制高频信号对后端电路的影响。

第三电阻r3与共模滤波器t1之间、温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感l3之间均串联有一个esd保护二极管与地线电连接，esd保护二极管的输入端与地线电连接。

第三电阻r3与共模滤波器t1之间串联有第一esd保护二极管d2与地线电连接，温控开关和信号运算电路的正极端与第三差模电感l3之间串联有第二esd保护二极管d3与地线电连接，esd保护二极管实现25kv5kv的esd保护功能。

二极管d1与第一差模电感l1之间依次串联有第三低通滤波电容c3、第二电阻r2与机壳电连接，第二电阻r2的输入端串联有第四低通滤波电容c4与地线电连接。

第二电阻r2为高精电阻，第三低通滤波电容c3和第四低通滤波电容c4均为低通滤波电容，第二电阻r2、第三低通滤波电容c3和第四低通滤波电容c4用于机壳接地，从而防止静电聚积。

第一、第二信号比较电路结构相同，第一信号比较电路的输出端与隔离驱动电路连通，第二信号比较电路的输出端与开关连通。

如图8所示，第二信号比较电路包括有第二信号比较器u1b、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七点租r7、第八电阻r8、第十二低通滤波电容c12和第十三低通滤波电容c13，温度传感器的输出端依次通过第四电阻r4和第五电阻r5与第二信号比较器u1b的负端电连接，第十二低通滤波电容c12的一端与第四电阻r4和第五电阻r5的连接处电连接，第十三低通滤波电容c13的一端与第五电阻r5和第二信号比较器u1b的连接处电连接，第十二低通滤波电容c12和第十三低通滤波电容c13的另一端均与地线电连接；电源转化单元的输出端通过第六电阻r6与第二信号比较器u1b的正端电连接，第二信号比较器u1b的输出端通过第八电阻r8与驱动单元的输入端电连接，第七点租r7的两端分别与第二信号比较器u1b的负端和输出端电连接。

第二信号比较器u1b对温度传感器输入的信号进行比较并分别输出高电平或关闭，第四电阻r4、第五电阻r5、第十二低通滤波电容c12和第十三低通滤波电容c13实现两个低通滤波的作用，从而减少信号的干扰。

第一、第二信号比较器均为滞回比较器。

滞回比较器的特点是有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状，滞回比较器用于消除目标高度温度不稳定导致开关的震荡开合。

如图9所示，隔离驱动电路包括有光耦继电器，光耦继电器的1脚与第一信号比较电路的输出端电连接，光耦继电器的3脚与地线电连接，光耦的5脚连通电源的负极，光耦的4脚和6脚与执行元件的零线端电连接。

隔离驱动电路用于实现低边控制，当隔离驱动电路的1脚输入高电平时，触发光耦的导通，从而实现mos管的打开，输出低电平控制电路的导通，从而连通执行元件的零线端与电源负极的连通，光耦继电器实现隔离作用，避免本开关对外部电路的影响。

本发明的工作原理：

壳体为航空铝材，用于安装电路板和电子元器件，能够形成良好的屏蔽，避免外界环境对内部电路的影响；气压传感器，用于将当前高度的气压转化为电压信号；第二温度传感器，用于将当前的气体温度转化为电压信号；二次温度补偿电路，利用第二温度传感器输入的信号，使用对应的温度修正参数对气压传感器输入的信号进行补偿修正；当气温在0～85℃时，二次温度补偿电路直接将气压传感器输入的信号传输给滞回比较器；当气温在-55～0℃时，二次温度补偿电路通过第二温度传感器输入的信号对气压传感器输入的信号进行补偿修正，然后将修正后的信号传输给滞回比较器；滞回比较器对温度补偿单元输入的信号与预设的阈值进行比较，根据比较结果对光耦继电器输出高电平或低电平，光耦继电器根据输入信号的电平高低通过线束端子连通或断开执行单元的电路。