一种传感器电路和传感器的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种传感器电路和传感器。


背景技术：

2.传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。以气体传感器为例，易燃易爆气体的检测涉及到安全问题，在已经发生易燃易爆气体泄露的场合，如果气体传感器由于故障而未发出报警，那么将会造成严重的安全事故，所以，为应用在易燃易爆场合的气体传感器设计故障自检测功能是非常必要的。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本实用新型提供一种传感器电路和传感器，以使传感器能够实现故障自检测。
4.一种传感器电路，包括：
5.传感器电路本体和故障自检测电路；所述故障自检测电路包括检测电路；
6.所述检测电路的输入端与所述传感器电路本体内的预设电气节点电连接，输出端与控制单元电连接；所述检测电路用于测量所述预设电气节点的电气参数，并传输给所述控制单元。
7.在一个实施例中，所述故障自检测电路还包括扰动电路；
8.所述扰动电路的启停控制端与所述控制单元电连接，输出端与所述传感器电路本体电连接；所述扰动电路用于在所述控制单元的控制下向所述传感器电路本体发送和停止发送扰动信号。
9.在一个实施例中，所述传感器电路本体包括电阻电桥和仪用放大电路；
10.所述电阻电桥的第一桥臂或第二桥臂的电阻为热敏电阻；
11.所述仪用放大电路包括：运算放大器ic1、运算放大器ic2、运算放大器ic3、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12和电阻r13；运算放大器ic1的同相输入端与电桥的第二桥臂的输出端电连接，运算放大器ic2的同相输入端与电桥的第一桥臂的输出端电连接，运算放大器ic1的反相输入端与电阻r7和电阻r8的连接点电连接，运算放大器ic2的反相输入端与电阻r8和电阻r9的连接点电连接，电阻r7的另一端同时与运算放大器ic1的输出端和电阻r10的一端电连接，电阻r9的另一端同时与运算放大器ic2的输出端和电阻r12的一端电连接，电阻r10的另一端同时与运算放大器ic3的反相输入端和电阻r11的一端电连接，电阻r11的另一端与运算放大器ic3的输出端电连接，电阻r12另一端同时与运算放大器ic3的同相输入端和电阻r13的一端电连接，电阻r13的另一端接地。
12.在一个实施例中，所述第一桥臂的下半桥臂电阻大于第一桥臂的上半桥臂电阻，并且所述第二桥臂的上半桥臂电阻大于等于第二桥臂的下半桥臂电阻；
13.或者，所述第一桥臂的下半桥臂电阻大于等于第一桥臂的上半桥臂电阻，并且所述第二桥臂的上半桥臂电阻大于第二桥臂的下半桥臂电阻。
14.在一个实施例中，所述第一桥臂的上半桥臂电阻为电阻r2，所述第一桥臂的下半桥臂电阻为电阻r3，所述第二桥臂的上半桥臂电阻包括串联的电阻r4和电阻r4_1，所述第二桥臂的下半桥臂电阻为电阻r5；其中，电阻r2和电阻r3均为热敏电阻，各电阻的标称阻值满足r4_1《r2＝r3＝r4＝r5。
15.在一个实施例中，所述检测电路包括三个子检测电路中的任意一个或任意几个；
16.第一个子检测电路的输入端与所述运算放大器ic1的输出端电连接，输出端与所述控制单元电连接；第二个子检测电路的输入端与所述运算放大器ic2的输出端电连接，输出端与所述控制单元电连接；第三个子检测电路的输入端与所述运算放大器ic3的输出端电连接，输出端与所述控制单元电连接；
17.所述第一子检测电路包括电阻r19和电容c2；所述电阻r19的一端与运算放大器ic1的输出端电连接，另一端与电容c2的一端电连接，所述电容c2的另一端接地，所述电阻r19和电容c2的连接点与所述控制单元电连接；
18.所述第二子检测电路包括电路r20和电容c1；所述电阻r20一端与运算放大器ic2的输出端电连接，另一端与所述电容c1的一端电连接，所述电容c1的另一端接地，所述电阻r20和电容c1的连接点与所述控制单元电连接；
19.所述第三自检测电路包括电路r21和电容c3，电阻r21和电容c3；电阻r21的一端与运算放大器ic3的输出端电连接，电阻r21的另一端与电容c3的一端电连接，电容c3的另一端接地，所述电阻r19和电容c2的连接点与mcu电连接。
20.在一个实施例中，所述扰动电路包括：开关管q1和开关管q2；所述开关管q1的电能输入端与运算放大器ic1的反相输入端电连接，开关管q2的电能输入端和运算放大器ic2的反相输入端电连接，开关管q1和开关管q2的电能输出端均接地，开关管q1和开关管q2的控制端均与所述控制单元电连接。
21.在一个实施例中，所述扰动电路还包括电阻r14和电阻r15：所述电阻r14的一端与运算放大器ic1的反相输入端电连接，另一端与所述开关管q1的电能输入端电连接；所述电阻r15的一端与运算放大器ic2的反相输入端电连接，另一端与所述开关管q2的电能输入端电连接；
22.所述扰动电路还包括电阻r18，所述电阻r18的一端同时与所述开关管q1和开关管q2的控制端电连接，另一端与所述控制单元电连接；
23.所述扰动电路还包括电阻r16和电阻r17；所述电阻r16的一端与所述开关管q1的控制端电连接，另一端接地；所述电阻r17的一端与所述开关管q2的控制端电连接，另一端接地。
24.在一个实施例中，所述扰动电路包括：二极管d1和二极管d2；
25.所述二极管d1的阳极与运算放大器ic1的反相输入端电连接，二极管d2和运算放大器ic2的反相输入端电连接，并且所述二极管d1和所述二极管d2的阴极均与所述控制单元电连接；
26.或者，所述二极管d1的阴极与运算放大器ic1的反相输入端电连接，二极管d2和运算放大器ic2的反相输入端电连接，并且所述二极管d1和所述二极管d2的阳极均与所述控制单元电连接。
27.在一个实施例中，所述扰动电路还包括：与所述两个二极管相串联的电阻。
28.一种传感器，包括：上述公开的任一种传感器电路。
29.从上述的技术方案可以看出，本实用新型对传感器电路本体内的若干个电气节点进行电气参数测量，并传输给控制单元做判断，只要控制单元判断出其中至少一个电气节点的电气参数值超出了正常范围，就说明传感器电路本体存在故障，从而实现了传感器的故障自检测。
附图说明
30.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本实用新型实施例公开的一种具有故障自检测功能的传感器电路结构示意图；
32.图2为本实用新型实施例公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路结构示意图；
33.图3为本实用新型实施例公开的一种不具备故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
34.图4为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
35.图5为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
36.图6为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
37.图7为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
38.图8为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
39.图9为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图；
40.图10为本实用新型实施例基于图3进行改进，所公开的又一种具有故障自检测功能的传感器电路原理示意图。
具体实施方式
41.为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：
42.mosfet：metal-oxide-semiconductorfield-effect transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管；
43.igbt：insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极晶体管；
44.mcu：microcontrollerunit，微控制器。
45.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
46.传感器电路为传感器的核心部件，本实用新型实施例通过在传感器电路的基础上增加故障自检测电路，得到了一种具有故障自检测功能的传感器电路(如图1所示，其中，增加故障自检测电路之前的传感器电路即不具备故障自检测功能的传感器电路，也称为传感器电路本体)，其可根据实际需要适时进行故障自检测。
47.仍参见图1，所述故障自检测电路包括检测电路；
48.所述检测电路的输入端与所述传感器电路本体内的预设电气节点电连接，输出端与控制单元例如mcu电连接；所述检测电路用于分别测量所述预设电气节点的电气参数，并传输给mcu，供mcu判断所述传感器电路本体故障与否。
49.图1所示故障自检测电路的工作原理如下：由于传感器电路本体故障时本体中相关电气节点的电气参数值会超出正常范围，那么对其中的若干个电气节点进行电气参数测量，并传输给mcu做判断，只要mcu判断出其中至少一个电气节点的电气参数值超出了正常范围，就说明传感器电路本体存在故障，从而实现了传感器的故障自检测。
50.在一个实施例中，如图2所示，所述故障自检测电路还可包括扰动电路；
51.所述扰动电路的启停控制端与mcu电连接，输出端与所述传感器电路本体电连接；所述扰动电路用于在mcu的控制下向所述传感器电路本体发送和停止发送扰动信号。
52.图2所示故障自检测电路的工作原理如下：在采用图1所示方案实现故障自检测的基础上，为了使故障检测的范围更加全面，可以对传感器电路本体人为施加扰动使其切换工作在扰动和非扰动两种工作状态下(施加扰动后所述若干个电气节点的电气参数值会发生改变，如果其中至少一个电气节点的电气参数值超出了扰动状态下的正常范围，也说明传感器电路本体存在故障)，并且每种工作状态下监测的电气节点的个数越多越好。
53.此外需要说明的是，上述mcu可以属于具有故障自检测功能的传感器电路的内部组件，也可以不属于，图1和图2仅以前者作为示例。
54.下面以在图3所示传感器电路本体的基础上增加故障自检测电路为例，来对本实用新型实施例的技术方案进行举例说明。
55.图3所示传感器电路本体包括：电阻电桥(以下简称为电桥)和仪用放大电路。
56.所述电桥连接在电源vcc和地g之间；在一实施例中，所述电桥的第一桥臂的上半桥臂电阻为电阻r2，第一桥臂的下半桥臂电阻为电阻r3，第二桥臂的上半桥臂电阻为电阻r4，第二桥臂的下半桥臂电阻为电阻r5；其中，所述第一桥臂或者第二桥臂上的电阻均为热敏电阻。
57.所述仪用放大电路包括：三个运算放大器ic1～ic3和七个电阻r7～r13；所述仪用放大电路为两级运放结构，ic1和ic2为第一级运放，ic1和ic2的同相输入端为所述仪用放大电路的两个输入端，ic1的同相输入端与电桥的第二桥臂的输出端电连接，ic2的同相输入端与电桥的第一桥臂的输出端电连接，ic1的反相输入端与r7和r8的连接点电连接，ic2的反相输入端与r8和r9的连接点电连接，r7的另一端同时与ic1的输出端和r10的一端电连接，r9的另一端同时与ic2的输出端和r12的一端电连接，r10的另一端同时与ic3的反相输入端和r11的一端电连接，r11的另一端与ic3的输出端电连接，r12另一端同时与ic3的同相
输入端和r13的一端电连接，r13的另一端接地；ic3为第二级运放，ic3、r10、r11、r12和r13组成差动放大电路，ic3的输出端为所述仪用放大电路的输出端。所述仪用放大电路这种电路结构决定了：ic3的同相输入电压与电桥的第一桥臂输出电压v1正相关，ic3的反相输入电压与电桥的第二桥臂输出电压v2正相关，当v1》v2时，ic3的同相输入电压》ic3的反相输入电压，ic3输出电压vout的下限值》0；当v1≤v2时，ic3的同相输入电压《ic3的反相输入电压，ic3输出电压vout的下限值为0。
58.图3所示传感器电路本体可以应用于气体传感器，其工作原理如下：热敏电阻对不同气体的敏感度不同，热敏电阻接触不同气体时，其电阻值会发生变化，根据其电阻值的变化可以判断出是否发生了目标气体泄漏。在一个实施例中，该气体传感器可以用来检测新型冷媒(比如r32/r290等环保冷媒，该类冷媒具有可燃性)是否发生了泄漏，因此该气体传感器可适用于使用新型冷媒的制冷设备。以第一桥臂上的电阻r2和r3为热敏电阻为例，气体泄漏时热敏电阻r2和r3的阻值相比气体没有泄漏时会有所不同，所以气体泄漏时输出电压v1相比气体没有泄漏时也有所不同，理论上仪用放大电路输出电压vout＝(v1-v2)*[(1+2*r7/r8)*(r11/r10)]，vout检测电路对电压vout进行检测后输出给mcu，mcu根据vout的变化即可判断出是否发生了气体泄漏。仍参见图3，vout检测电路例如包括电阻r21和电容c3；电阻r21的一端与仪用放大电路的输出端电连接，电阻r21的另一端与电容c3的一端电连接，电容c3的另一端接地，所述电阻r19和电容c2的连接点与mcu电连接。
[0059]
但是，当图3所示传感器电路本体发生故障时，传感器电路本体中相关电气节点的电气参数值(包括仪用放大电路输出电压vout)会偏离正常值。对此，本实用新型实施例在传感器电路本体的基础上增加了故障自检测电路，如图4所示，该故障自检测电路可以包括检测电路和扰动电路，所述检测电路选定传感器电路本体内部若干个电气节点作为检测点，对其电气参数进行测量后传输给mcu做判断，例如可以测量仪用放大电路输出电压vout、运算放大器ic1输出电压v2_1和运算放大器ic2输出电压v1_1中的任意一个或任意几个。仍参见图4，v2_1检测电路例如包括电阻r19和电容c2；电阻r19的一端与运算放大器ic1的输出端电连接，另一端与电容c2的一端电连接，所述电容c2的另一端接地，所述电阻r19和电容c2的连接点与mcu电连接；v1_1检测电路例如包括电阻r20和电容c1；电阻r20一端与运算放大器ic2的输出端电连接，另一端与电容c1的一端电连接，电容c1的另一端接地，所述电阻r20和电容c1的连接点与所述控制单元电连接；图4仅以检测电路同时包括vout检测电路、v2_1检测电路和v1_1检测电路这三个子检测电路作为示例。
[0060]
基于图4，mcu控制逻辑如下：mcu通过控制扰动电路不工作，使传感器电路本体工作在非扰动状态下，通过进行电路分析可得到非扰动状态下vout、v2_1、v1_1各自的上下限，如果vout、v1_1、v2_1中的任意一个超出了自身对应的上下限，说明本体有故障；然后mcu通过控制扰动电路工作，使传感器电路本体工作在扰动状态下，通过进行电路分析可得到扰动状态下vout、v2_1、v1_1各自的上下限，如果vout、v1_1、v2_1中的任意一个超出了自身对应的上下限，也说明本体有故障。
[0061]
当然，图4中也可以省去扰动电路，此时对应的mcu控制逻辑同理可得，不再赘述。
[0062]
在上述公开的任一实施例中，电桥与电源vcc之间还可连接有限流电阻r1，电桥与地g之间还可连接有限流电阻r6，在此基础上，为使传感器电路本体能够在更宽的温度范围内实现检测，可设置r1＝r6。
[0063]
在上述公开的任一实施例中，考虑到当v1≤v2时可能会造成vout采样值的上下限出现偏差，进而造成mcu对传感器电路本体故障误判，所以作为推荐，在电桥参数设计时需要保证v1》v2。具体分析如下：当v1≤v2时，输出电压vout在扰动状态以及非扰动状态下的正常范围的下限均为零，而运算放大器的特性决定了自身输出电压不可能低于零，所以即便传感器电路本体出现故障会导致vout下降时，也绝不可能出现vout低于零的情况，此时mcu认为vout未超出扰动状态和非扰动状态下的正常范围的下限，从而识别不到传感器电路本体故障。
[0064]
其中，为了保证v1》v2所采用的电桥参数设计方案可以是：设计第一桥臂的下半桥臂电阻略大于第一桥臂的上半桥臂电阻，而第二桥臂的上半桥臂电阻大于或等于第二桥臂的下半桥臂电阻。例如在图4中应用本设计方案时，可设计r4和r5的标称阻值相等，r3的标称阻值略大于r2的标称阻值或者标称阻值相同，但r3实际阻值大于r2实际阻值。
[0065]
或者，为了保证v1》v2所采用的电桥参数设计方案也可以是：设计第二桥臂的上半桥臂电阻略大于第二桥臂的下半桥臂电阻，而第一桥臂的下半桥臂电阻大于等于第一桥臂的上半桥臂电阻。此设计方案下的一个示例例如图5所示，可设计r2与r3的标称阻值相等，r4与r5的标称阻值相等，然后为第二桥臂的原上半桥臂电阻r4串联一个远小于r4的电阻r4_1，此时第二桥臂新的上半桥臂电阻为r4+r4_1，图5与图4仅电桥不同。
[0066]
在图3所示传感器电路本体的基础上增加的扰动电路具有多种可选拓扑结构，以下仅给出两类，分别是基于开关管构建得到的扰动电路，和基于二极管构建得到的扰动电路。
[0067]
仍参见图4或图5，基于开关管构建得到的扰动电路包括：两个开关管q1和q2；q1和q2的电能输入端分别与ic1和ic2的反相输入端电连接，q1和q2的电能输出端均接地g，q1和q2的控制端均与mcu电连接。
[0068]
其中，开关管q1和q2可以是mosfet、igbt或三极管，图4和图5仅以开关管q1和q2为三极管作为示例。当开关管为mosfet时，开关管的电能输入端为mosfet的漏极，开关管的电能输出端为mosfet的源极，开关管的控制端为mosfet的栅极。当开关管为igbt时，开关管的电能输入端为igbt的集电极，开关管的电能输出端为igbt的发射极，开关管的控制端为igbt的栅极。当开关管为三极管时，开关管的电能输入端为三极管的集电极，开关管的电能输出端为三极管的发射极，开关管的控制端为三极管的基极。
[0069]
以基于开关管构建得到的扰动电路对应的电桥为近似上下对称的电路结构(即第一桥臂的上、下桥臂电阻阻值相差不大，且第二桥臂的上、下桥臂电阻阻值相差不大)并且满足v1》v2为例，仍参见图4或图5，mcu控制逻辑如下：当电桥为近似上下对称的电路结构时，两桥臂输出电压v1≈vcc/2、v2≈vcc/2，此时：当mcu控制自身io口detect-signal输出低电平时，如果传感器电路本体没有故障，理论上电压vout、v1_1、v2_1都将介于0v与vcc之间但不会达到0v和vcc，如果vout、v1_1、v2_1中的任意一个达到0v或vcc，说明本体有故障(考虑到元器件参数设计误差以及测量误差等因素，需要设置一定的余量，比如：v1_1《0.5v或v1_1》vcc-0.5，说明本体有故障；v2_1《0.5v或v2_1》vcc-0.5，说明本体有故障；vout《0.2v或v1_1》vcc-0.2，说明本体有故障)；当mcu控制自身io口detect-signal输出高电平时，ic1、ic2的输出电压v1_1、v2_1变大至接近于vcc，此时：如果电路没有故障则电压vout接近0v，当vout的电压比0v大很多时，比如vout》0.5v，说明本体有故障；如果电路没有故障
则电压v1_1接近vcc，当v1_1的电压比vcc小很多时，比如v1_1《vcc-0.5，说明本体有故障；如果电路没有故障则电压v2_1接近vcc，当v2_1的电压比vcc小很多时，比如v2-1《vcc-0.5，说明本体有故障。该故障自检测电路实时检测vout、v1_1、v2_1这3个电压，并每隔一段时间将detect-signal口由低电平变为高电平，使故障检测更全面。
[0070]
在一个实施例中，参见图6，所述基于开关管构建得到的扰动电路还可包括电阻r14和电阻r15，用于起到限流作用和调节向传感器电路本体施加的扰动电压；电阻r14的一端与q1的电能输入端电连接，另一端与ic1的反相输入端电连接；电阻r15的一端与q2的电能输入端电连接，另一端与ic2的反相输入端电连接。
[0071]
在一个实施例中，仍参见图6，上述任一种基于开关管构建得到的扰动电路还可包括：电阻r18；电阻r18的一端所述两个开关管的控制端电连接，另一端与mcu电连接，电阻r18用于调节两个开关管的驱动电压。
[0072]
在一个实施例中，仍参见图6，上述任一种基于开关管构建得到的扰动电路还可包括分别为两个开关管设置的偏置电阻r16和r17，保证两个开关管输出信号不失真。
[0073]
基于二极管构建得到的扰动电路采用如图7所示拓扑结构，包括二极管d1和二极管d2，二极管d1和d2的阳极分别与ic1和ic2的反相输入端电连接，二极管d1和d2的阴极均与mcu电连接。在一个实施例中，还可为二极管d1和d2串联电阻，用于限流和调节向传感器电路本体施加的扰动电压，其实现方式例如为：仍参见图7，为二极管d1串联电阻r22，为二极管d1串联电阻r23；或者，如图8所示，二极管d1和d2的阴极均经电阻r24接mcu。
[0074]
仍以基于二极管构建得到的扰动电路对应的电桥为近似上下对称的电路结构并且满足v1》v2为例，仍参见图7，此时mcu控制逻辑如下：mcu控制自身io口detect-signal为高电平，此时二极管d1、d2反向截止，即传感器电路本体工作在非扰动状态下，此时故障分析同上一举例，不再赘述。然后，mcu控制自身io口detect-signal为低电平，此时二极管d1、d2正向导通，即传感器电路本体工作在扰动状态下，使ic1、ic2的输出电压v1_1、v2_1变大至接近于vcc：如果电路没有故障时电压vout接近0v，当vout的电压比0v大很多时，比如vout》0.5v，说明电路有故障；如果电路没有故障时电压v1_1接近vcc，当v1_1的电压比vcc小很多时，比如v1_1《vcc-0.5，说明电路有故障；如果电路没有故障时电压v2_1接近vcc，当v2_1的电压比vcc小很多时，比如v2_1《vcc-0.5，说明电路有故障。
[0075]
此外，也可以将基于二极管构建得到的扰动电路中的二极管反向，例如图9或图10所示。
[0076]
仍以所述电桥为近似上下对称的电路结构并且满足v1》v2为例，参见图9，此时mcu控制逻辑如下：mcu控制自身io口detect-signal输出低电平，二极管d1、d2反向截止，即传感器电路本体工作在非扰动状态下，此时故障分析同上一举例，不再赘述。然后，mcu的io口detect-signal为高电平，二极管d1、d2正向导通，运放ic1、ic2的输出电压v1_1、v2_1变小至接近于0v：如果电路没有故障时电压vout接近0v，当vout的电压比0v大很多时，比如vout》0.5v，说明电路有故障；如果电路没有故障时电压v1_1接近0v，当v1_1的电压比0v大很多时，比如v1_1》0.5，说明电路有故障；如果电路没有故障时电压v2_1接近0v，当v2_1的电压比0v大很多时，比如v2_1》0.5，说明电路有故障。
[0077]
此外，本实用新型实施例还公开了一种传感器，包括上述公开的任一种具有故障自检测功能的传感器电路。
[0078]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0079]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。