一种三线制电阻传感器的测量电路及方法
阅读说明：本技术 一种三线制电阻传感器的测量电路及方法 (Measuring circuit and method of three-wire system resistance sensor ) 是由 申爽 吴晓刚 于 2021-01-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了三线制电阻传感器的测量电路及方法,其中电阻传感器核心电阻元件一端连接电阻传感器的第一接口,另一端连接电阻传感器的第二接口和第三接口；电路包括：至少两个电阻传感器；第一选择器,具有至少两路选择通道；第二选择器,具有至少一路选择通道；第一电阻；每个电阻传感器的第一接口连接至第一选择器的第一通道以及第二通道的数据输入端,第一选择器第一通道的输出端通过电阻连接至电源；第一选择器第二通道的输出端连接至第二选择器的第一数据输入端；每个电阻传感器的第二接口通过第一电阻连接至地,并且第一电阻远离地的接口连接至第二选择器的第二数据输入端；每个电阻传感器的第三接口分别连接至第二选择器的其他数据输入端。(The invention discloses a measuring circuit and a method of a three-wire system resistance sensor, wherein one end of a resistance sensor core resistance element is connected with a first interface of the resistance sensor, and the other end of the resistance sensor core resistance element is connected with a second interface and a third interface of the resistance sensor; the circuit comprises: at least two resistance sensors; the first selector is provided with at least two selection channels; the second selector is provided with at least one path of selection channel; a first resistor; the first interface of each resistance sensor is connected to the data input ends of the first channel and the second channel of the first selector, and the output end of the first channel of the first selector is connected to a power supply through a resistance; the output end of the second channel of the first selector is connected to the first data input end of the second selector; the second interface of each resistance sensor is connected to ground through a first resistance, and the interface of the first resistance remote from the ground is connected to the second data input end of the second selector; the third interface of each resistance sensor is connected to the other data input of the second selector.)
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种三线制电阻传感器的测量电路及方法。
背景技术
电阻传感器，是一种把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。三线制电阻传感器是指封装后的传感器成品(即无需再次封装便可以直接使用的产品)具有三个接口，例如图1所示的PT100温度传感器。在图1中，虚线框中为传感器成品的内部剖面示意图，1为热电偶或热电阻，是核心电阻元件，其具有两个引脚2和3。在封装为传感器成品时，引脚2通过一根引线引出，而引脚3通过两根引线引出，从而传感器成品便具有3根引线。诸如PT100这类传感器在实际使用中往往会部署多个，其数量一般多于控制器，且需要频繁读取各个传感器的数值以便实时掌握环境参数。如何通过较少的控制器实时读取较多的传感器数据，即如何实现传感器数据的多路采集，是本领域的研究重点之一。
以PT100温度传感器为例，现有技术一般采用全桥(如图2所示)、半桥(如图3所示)或者恒流源(如图4和图5所示)方式实现“一个”三线制电阻传感器的测量。在图2至图5中，RT1、RT2、RT3、RT4为待测电阻传感器，R1、R2、R3和R4为标准电阻，I1和I2为恒流源。
发明人发现，采用全桥或半桥的方式测量虽然较为准确，但是需要对至少两个标准电阻进行校准，测量过程较为繁琐；采用恒流源方式虽然可以不用标准电阻，但精确度高、温漂低的恒流源电路本身就相对复杂。此外，采用全桥、半桥以及恒流源的方式实现多路传感器数据的采集时，还需要在多路全桥、半桥或恒流源的基础上再另外添加切换电路及放大电路，这使得现有测量方式物料成本较高、电路较复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种三线制电阻传感器的测量电路及方法，以解决现有采集多路传感器数据的方式物料成本较高、电路及校准较复杂的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种三线制电阻传感器的测量电路，其中，电阻传感器核心电阻元件一端连接电阻传感器的第一接口，另一端连接电阻传感器的第二接口和第三接口；所述测量电路包括：至少两个所述电阻传感器；第一选择器，具有至少两路选择通道，每个选择通道可实现M选一，其中M为大于或等于2的整数；第二选择器，具有至少一路选择通道，所述选择通道可实现N选一，其中N为大于或等于4的整数；第一电阻；其中，每个所述电阻传感器的第一接口连接至所述第一选择器的第一通道以及第二通道的数据输入端，所述第一选择器第一通道的输出端通过电阻连接至电源；所述第一选择器第二通道的输出端连接至所述第二选择器的第一数据输入端；每个所述电阻传感器的第二接口通过所述第一电阻连接至地，并且所述第一电阻远离地的接口连接至所述第二选择器的第二数据输入端；每个所述电阻传感器的第三接口分别连接至所述第二选择器的其他数据输入端；所述第二选择器的输出端连接至数据处理电路。
可选地，所述测量电路还包括：控制器，其输出端连接至所述第一选择器和/或所述第二选择器的地址输入端。
可选地，所述第一选择器和/或所述第二选择器的使能端接地。
可选地，所述测量电路还包括：同相放大器，其同相输入端连接所述第二选择器的输出端。
可选地，所述测量电路还包括：AD转换电路，其输入端连接所述同相放大器的输出端。
可选地，所述电阻传感器的数量为4个，且所述M为4，所述N为8。
可选地，所述电阻传感器为PT100温度传感器。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种三线制电阻传感器的测量方法，适用于第一方面所述的测量电路，通过控制所述第一选择器及所述第二选择器的通断依次获取每一个所述电阻传感器核心电阻元件的阻值；其中，通过以下步骤获取其中一个电阻传感器核心电阻元件的阻值：控制所述第一选择器中与所述一个电阻传感器连接的两个数据输入端与对应的输出端接通，同时控制所述第二选择器的第一数据输入端与对应的输出端接通，从而获取所述一个电阻传感器的第一接口处的电压V1；控制所述第二选择器的第二数据输入端与对应的输出端接通，从而获取所述第一电阻远离地的接口处的电压V2；控制所述第二选择器中与所述一个电阻传感器第三接口连接的数据输入端与对应的输出端接通，从而获取所述一个电阻传感器的第三接口处的电压V3；根据所述V1、所述V2和所述V3计算所述一个电阻传感器核心电阻元件的阻值。
可选地，通过控制器的输出端向所述第一选择器和/或所述第二选择器的地址输入端输入预定的0、1代码来控制预定数据输入端与对应的输出端接通。
本发明实施例所提供的方法基于一个标准电阻便能够克服引线电阻的引线获得电阻传感器核心电阻元件的阻值，可以不校准或者只校准一次即可，测量过程较为简单，测量结果较为准确；并且，测量电路的外围元件较少，物料成本较低，生产工艺简单，便于大规模量产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1示出了三线制PT100温度传感器的内部结构示意图；
图2至图5示出了三线制电阻传感器的现有测量方式电路结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的一种三线制电阻传感器的测量电路结构示意图；
图7A至图7C示出了根据本发明实施例的测量方法测量其中一个核心电阻元件的过程示意图；
图8示出了根据本发明实施例的测量方法计算核心电阻元件的电路示意图；
图9A至图9C示出了根据本发明实施例的测量方法测量其中另一个核心电阻元件的过程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种三线制电阻传感器的测量电路。其中，电阻传感器核心电阻元件一端连接电阻传感器的第一接口，另一端连接电阻传感器的第二接口和第三接口，具体可以参考图1。
如图6所示，该测量电路包括至少两个电阻传感器(图中RT1、RT2、RT3和RT4为电阻传感器的核心电阻元件)、第一选择器U1、第二选择器U2和第一电阻R1。其中，第一选择器U1具有至少两路选择通道，每个选择通道可实现M选一，其中M为大于或等于2的整数；第二选择器U2具有至少一路选择通道，选择通道可实现N选一，其中N为大于或等于4的整数。
如图6所示，每个电阻传感器的第一接口(也即核心电阻元件的一端)连接至第一选择器U1的第一通道以及第二通道的数据输入端，第一选择器U1第一通道的输出端通过电阻(可为任意电阻)连接至电源；第一选择器U1第二通道的输出端连接至第二选择器U2的第一数据输入端；每个电阻传感器的第二接口(也即核心电阻元件的另一端)通过第一电阻R1连接至地，并且第一电阻R1远离地的接口连接至第二选择器U2的第二数据输入端；每个电阻传感器的第三接口(也即核心电阻元件的另一端)分别连接至第二选择器U2的其他数据输入端；第二选择器U2的输出端连接至数据处理电路。
下面以图6所示电路测量RT1再切换至测量RT2为例来说明该测量电路的测量方式(请参考图7A至图7C)。
如图7A所示，首先控制第一选择器U1中与RT1连接的数据输入端X0与对应的输出端X接通、数据输入端Y0与对应的输出端Y接通，并且控制第二选择器U2的第一数据输入端X0与对应的输出端X接通，从而形成了图7A中粗实线所示的电流通路。即电源VREF依次经电阻R2(任意电阻)、核心电阻元件RT1和第一电阻R1到地，与此同时，该电阻传感器(注意不是核心电阻元件)的第一接口经第一选择器U1、第二选择器U2连接至数据处理电路。由此可以获取该电阻传感器(注意不是核心电阻元件)的第一接口处的电压V1。
如图7B所示，控制第二选择器U2的第二数据输入端X1与对应的输出端X接通，此时第一选择器U1的数据输入端X0与对应的输出端X保持接通状态、数据输入端Y0与对应的输出端Y可保持接通也可以不接通。由此可以获取第一电阻R1的远离地的接口处的电压V2。
如图7C所示，然后控制第二选择器U2中与RT1第三接口连接的数据输入端X5与对应的输出端接通，此时第一选择器U1的数据输入端X0与对应的输出端X保持接通状态、数据输入端Y0与对应的输出端Y可保持接通也可以不接通，由此可以获取RT1的第三接口处的电压V3。
由于电阻传感器内部往往通过较长的引线将核心电阻元件的引脚引出，该引线电阻的阻值对于测量结果的影响较大，不可忽视，如图7A至图7C中的r所示，三线制电阻传感器的引线电阻通常为三个等值电阻。图8示出了引线电阻以及上述所测电压所在电路的简化电路图。如图8所示，由于在获取V3时，数据输入端X5的后续电路通常为高阻抗电路，因此与数据输入端X5相连的引线电阻(即图8中左下方引线电阻r)上没有压降产生，那么V3与V2的压差便是与电阻R1相连的引线电阻(即图8中右下方引线电阻r)上的压降。假设电路中的电路为I，则根据图8可以得到：
V2＝I·R1——(1)
V3-V2＝I·r——(2)
V1-V2＝I·(RT1+2·r)——(3)
根据上述三式可得：
由此可以看出，本发明实施例所提供的方法基于一个标准电阻R1便能够克服引线电阻的引线获得电阻传感器核心电阻元件的阻值，可以不校准或者只校准一次即可，测量过程较为简单，测量结果较为准确；并且，测量电路的外围元件较少，物料成本较低，生产工艺简单，便于大规模量产。
上述给出了测量RT1的过程，当需要切换至测量RT2时只需要在上述过程结束后执行以下操作(请参考图9A至图9C)：
如图9A所示，首先控制第一选择器U1中与RT2连接的数据输入端X1与对应的输出端X接通、数据输入端Y1与对应的输出端Y接通，并且控制第二选择器U2的第一数据输入端X0与对应的输出端X接通，从而形成了图9A中粗实线所示的电流通路。即电源VREF依次经电阻R2(任意电阻)、核心电阻元件RT2和第一电阻R1到地，与此同时，该电阻传感器(注意不是核心电阻元件)的第一接口经第一选择器U1、第二选择器U2连接至数据处理电路。由此可以获取该电阻传感器(注意不是核心电阻元件)的第一接口处的电压V1。
如图9B所示，控制第二选择器U2的第二数据输入端X1与对应的输出端X接通，此时第一选择器U1的数据输入端X1与对应的输出端X保持接通状态、数据输入端Y1与对应的输出端Y可保持接通也可以不接通。由此可以获取第一电阻R1的远离地的接口处的电压V2。
如图9C所示，然后控制第二选择器U2中与RT2第三接口连接的数据输入端X4与对应的输出端接通，此时第一选择器U1的数据输入端X1与对应的输出端X保持接通状态、数据输入端Y1与对应的输出端Y可保持接通也可以不接通，由此可以获取RT2的第三接口处的电压V3。
根据上述V1、V2和V3计算RT2的阻值。
通过上述方式还可以测得电阻RT3和RT4的阻值，从而实现电阻传感器的多路采集。
需要说明的是，本申请中的选择器可以是目前市场上售卖的74系列的芯片或者其他型号的芯片，也可以是能够实现本申请中选择器功能的单元或模块。
可选地，本申请所提供的测量电路还包括控制器，其输出端连接至第一选择器U1和/或第二选择器U2的地址输入端。
可选地，第一选择器U1和/或第二选择器U2的使能端接地。
可选地，本申请所提供的测量电路还包括同相放大器(高阻抗器件)，其同相输入端连接第二选择器U2的输出端。
进一步地，本申请所提供的测量电路还包括：AD转换电路，其输入端连接同相放大器的输出端。AD转换电路的输出端可以连接至控制器的输入端，从而通过控制器计算核心电阻元件的阻值。
作为本实施例的一种可选实施方式，电阻传感器的数量为4个，且M为4，N为8。
作为本实施例的一种可选实施方式，电阻传感器为PT100温度传感器。
本发明实施例还提供了一种三线制电阻传感器的测量方法，适用于上述测量电路。该测量方法通过控制第一选择器U1及第二选择器U2的通断依次获取每一个电阻传感器核心电阻元件的阻值；其中，通过以下步骤S1至S4获取其中一个电阻传感器核心电阻元件的阻值：
S1：控制第一选择器U1中与一个电阻传感器连接的两个数据输入端与对应的输出端接通，同时控制第二选择器U2的第一数据输入端与对应的输出端接通，从而获取一个电阻传感器的第一接口处的电压V1。
S2：控制第二选择器U2的第二数据输入端与对应的输出端接通，从而获取第一电阻远离电源的接口处的电压V2。
S3：控制第二选择器U2中与一个电阻传感器连接的数据输入端与对应的输出端接通，从而获取一个电阻传感器的第三接口处的电压V3。
S4：根据V1、V2和V3计算一个电阻传感器核心电阻元件的阻值。
上述步骤具体可以参考图7A至图7C、图9A至图9C相关描述。
可选地，通过控制器的输出端向第一选择器U1和/或第二选择器U2的地址输入端输入预定的0、1代码来控制预定数据输入端与对应的输出端接通。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
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