專利名稱：納米傳感器電阻寬范圍精密測(cè)量電路及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器數(shù)字測(cè)量領(lǐng)域，猶指納米傳感器數(shù)字測(cè)量。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代納米技術(shù)催生出采用納米材料研制的各種高性能傳感器，如酒精、CO、H2S等各種氣敏傳感器、溫濕度傳感器等等，這些傳感器正以極高靈敏度(高達(dá)10000)、極快的響應(yīng)速度(小于IS)等無可比擬的優(yōu)越特點(diǎn)正在取代傳統(tǒng)工藝制備的傳感器，尤其是現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，更是使這些物聯(lián)網(wǎng)前端新型傳感器件備受關(guān)注，需求大增，各級(jí)科研機(jī)構(gòu)紛紛研制、改良各類傳感器，然而他們卻都是使用傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量儀器進(jìn)行測(cè)量、分析，而這些儀器已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代納米傳感器的特點(diǎn)了。傳統(tǒng)的傳感器測(cè)量原理是采取電阻分壓測(cè)量原理，即傳感器與基準(zhǔn)電阻串聯(lián)分壓，通過測(cè)量分壓值來推算傳感器電阻值。例如，普通高等院校機(jī)電類規(guī)劃教材《檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)》第三版機(jī)械工業(yè)出版社(書號(hào)ISBN 7-111-03106-7)，第八章第二節(jié)氣敏傳感器第五小節(jié)基本測(cè)試電路017頁)，其測(cè)量原理圖如圖6所示就是這種分壓式測(cè)量原理，從圖中可以通過公式計(jì)算傳感器QM-N5的電阻Rs =UCRl/Uel-Rl(式中&是基準(zhǔn)電阻，Uc是測(cè)試電壓源，υκ 是取樣電壓)。又如，甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)《半導(dǎo)體氣敏傳感器及其陣列的檢測(cè)技術(shù)研究》O009)、儀表技術(shù)與傳感器《基于ARM的高阻氣敏傳感器測(cè)試電路》(2006)等論文，河南上市公司漢威電子公司生產(chǎn)的“HW-C30A氣體傳感器測(cè)試儀”，也都是采取這種分壓式原理測(cè)量的。這種方式的測(cè)量導(dǎo)致業(yè)界五個(gè)大問題，并引起測(cè)量結(jié)果的極大誤差一是測(cè)量結(jié)果精度低，分壓的結(jié)果直接導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換的精度降低50%，而且現(xiàn)在的納米傳感器靈敏度已經(jīng)達(dá)到幾十倍甚至數(shù)百倍以上，此方式的測(cè)量導(dǎo)致如此大的動(dòng)態(tài)擺幅情況下顧頭不顧尾，如反應(yīng)前測(cè)量誤差為1%，而反應(yīng)靈敏度若為100則反應(yīng)后的測(cè)量誤差就高達(dá)*100 = 100%，因此測(cè)量精度很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所標(biāo)稱的滿度的精度；二是納米傳感器的電阻值范圍極寬，大到千兆歐以上，用這種分壓方式測(cè)量勢(shì)必要選擇上千兆的精密基準(zhǔn)電阻，而常規(guī)精密電阻的范圍限于2兆歐以下，這種大阻值的精密電阻實(shí)際上做不出來或者要采用極為昂貴材料和特殊工藝制作，故無法實(shí)現(xiàn)測(cè)量；三是傳感器測(cè)量電壓的不確定性，也就是說若使用5V電壓測(cè)量時(shí)，實(shí)際加在傳感器上的電壓是個(gè)動(dòng)態(tài)不確定值，利用這種儀器測(cè)量結(jié)果將直接誤導(dǎo)納米傳感器實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果和方向；四是傳感器測(cè)量電壓不能隨意設(shè)置，即不能過小或大于A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓， 否則將引致失真或不精確的小幅度分電壓值，直接導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度低；五是整個(gè)業(yè)界均被誤導(dǎo)為測(cè)量的靈敏度值就是這種測(cè)量在傳感器反應(yīng)前后的分壓值的比值，實(shí)際上它們有很大差別，通過簡單計(jì)算可知，若反應(yīng)靈敏度為m，在最佳匹配情況下，其反應(yīng)前后的電壓比值WVku = (m+l)/2，只有在m = 1時(shí)，電壓比值VkVVku = 1 =m，若在m = 100則電壓比值V&2/VKU = 50. 5，可見用電壓比來體現(xiàn)靈敏度的誤差是出人意料的大，這直接誤了導(dǎo)納米傳感器的研究。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述，本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，采取反相輸入型運(yùn)算放大器處理技術(shù)，將傳感器(相當(dāng)于一個(gè)電阻)接在測(cè)試電壓源和運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端之間，使得確定的測(cè)試電壓源直接加在傳感器上，通過軟件方法分析并切換的各種不同的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)接在該運(yùn)算放大器的輸出端與負(fù)輸入端之間，以取得各種不同的等效反饋電阻值(相當(dāng)于不同的測(cè)量檔位)，這樣組成的動(dòng)態(tài)運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)可以適合于測(cè)量很寬范圍的傳感器電阻范圍，通過A/D轉(zhuǎn)換器和極性處理模塊及其軟件方法等將信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并自動(dòng)去掉零點(diǎn)，即可精確計(jì)算出傳感器的電阻和靈敏度等指標(biāo)。本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀，是這樣實(shí)現(xiàn)的由電源模塊MO1、鍵盤模塊M02、顯示模塊M03組成，其特征是，還包括(1)測(cè)試電壓源M6，作為測(cè)試傳感器電阻的輸入信號(hào)電壓，直接或間接連接到數(shù)值處理器M5的輸出口線以進(jìn)行電壓控制，亦可通過單片機(jī)改變電壓值；它是由所述數(shù)值處理器M5的口線(固定電壓)及驅(qū)動(dòng)電路組成，或者是D/A轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動(dòng)電路組成，或者是 PWM脈寬解調(diào)及驅(qū)動(dòng)電路組成；(2)運(yùn)算放大器U1，作為測(cè)量放大器，與下述的待測(cè)傳感器電阻Rs和反饋網(wǎng)絡(luò)組成放大器，用以產(chǎn)生含有傳感器電阻Rs的電阻信息的測(cè)量電壓VADl ；(3)待測(cè)傳感器電阻Rs 連接在所述測(cè)試電壓源M6與該運(yùn)算放大器Ul負(fù)輸入端之間；通過以上由運(yùn)算放大器Ul組成的反饋放大器的特點(diǎn)可知，測(cè)試電壓源M6的測(cè)試電壓完全加在待測(cè)傳感器電阻Rs上，這樣就使得待測(cè)傳感器電阻Rs上所加的測(cè)試電壓是確定的；(4)連接在該運(yùn)算放大器Ul正、負(fù)輸入端之間的反饋網(wǎng)絡(luò)，該反饋網(wǎng)絡(luò)由至少2個(gè)反饋單元并聯(lián)組成，其中一個(gè)反饋單元Ml由電控開關(guān)SWl與衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)M8串聯(lián)組成， 其典型的結(jié)構(gòu)是包含與所述電控開關(guān)串聯(lián)的電阻Rll和與該電阻Rll串聯(lián)的電阻R12，且還包含另一個(gè)電阻R13，其一端接地，其另一端接在該電阻Rll和R12的串接節(jié)點(diǎn)，通過計(jì)算，這樣的衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)的等效反饋電阻Rf = R11+R12+R11*R12/R13，該式表明，通過精密的小阻值的R13和較大阻值的R12、R13即可獲得精密的極大阻值等效反饋電阻Rf，以利于精密測(cè)量高阻值的傳感器；另一個(gè)反饋單元M2則由電控開關(guān)SW2與至少含一個(gè)電阻R2 組成的反饋網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成，也就是說，這個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)既可能是一個(gè)電阻R2，也可能與上述衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相同；所述每一個(gè)電控開關(guān)直接連接到(即直接連接到電控開關(guān)的控制端)或間接連接到(即通過驅(qū)動(dòng)電路連接到電控開關(guān)的控制端)數(shù)值處理器M5的口線以實(shí)現(xiàn)檔位控制；所述衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)M8是指將所述運(yùn)算放大器Ul的反饋信號(hào)進(jìn)行衰減的網(wǎng)絡(luò)；(5)極性處理模塊M3，其輸入端連接在該運(yùn)算放大器Ul輸出端，它是一倒相電路或者一絕對(duì)值電路加上一極性檢測(cè)電路，以完成對(duì)測(cè)量得到的信號(hào)電壓的極性轉(zhuǎn)換和極性識(shí)別；(6)模擬輸入端連接在該運(yùn)算放大器Ul輸出端和極性處理模塊M3輸出端的A/D 轉(zhuǎn)換器M4，用于將結(jié)果該極性處理模塊M3后的輸出信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；(7)連接在該A/D轉(zhuǎn)換器M4數(shù)據(jù)輸出接口的數(shù)值處理器M5，該數(shù)值處理器可以是數(shù)值處理器(MQ是單片機(jī)，或者微處理器系統(tǒng)，或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或者由單片機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而對(duì)于單片機(jī)方案，所述A/D轉(zhuǎn)換器通常被集成在該單片機(jī)內(nèi)；數(shù)值處理器M5對(duì)上述的各種控制產(chǎn)生信號(hào)，并以所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量和測(cè)試電壓源M6及測(cè)量電路的參數(shù)計(jì)算傳感器的電阻值Rs。根據(jù)這些有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)試電壓數(shù)據(jù)即可計(jì)算出待測(cè)傳感器的電阻值和反應(yīng)前后的電阻值之比(即靈敏度)；所述電源模塊MOl用于為本測(cè)量儀提供電源，所述顯示模塊M03用于顯示測(cè)量結(jié)果，所述鍵盤模塊M02用于輸入測(cè)量參數(shù)和控制測(cè)量。本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量方法，是這樣實(shí)現(xiàn)的該方法是由軟件實(shí)現(xiàn)的，該軟件包括(1)測(cè)量初始化軟件將以下部分軟件中必要的參數(shù)和變量進(jìn)行初始化；(2)測(cè)試電壓控制軟件控制加在傳感器電阻上的測(cè)試電壓VT ；(3)A/D轉(zhuǎn)換軟件通過所述測(cè)試電壓控制軟件輸入測(cè)試電壓(VT)后對(duì)含有傳感器的電阻信息的測(cè)量電路輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲得含有所述電阻信息的數(shù)字量；(4)極性處理軟件用以判斷所述A/D轉(zhuǎn)換軟件所獲得的數(shù)字量的符號(hào)，獲得有符號(hào)數(shù)字量；所述極性處理軟件的是通過方式一或方式二進(jìn)行的，其中方式一是通過所述A/D轉(zhuǎn)換軟件對(duì)測(cè)量電路互為反相的兩路輸出電壓所獲得的數(shù)字量進(jìn)行分析，所述A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)電壓信號(hào)采集的數(shù)字量總是為0或近似為零，而另一路所采集的數(shù)字量則總是等于或高于該路的數(shù)字量，這樣就可獲得有效的數(shù)字量和符號(hào)；方式二是通過所述A/D轉(zhuǎn)換軟件對(duì)測(cè)量電路所輸出電壓的絕對(duì)值進(jìn)行采集，通過極性檢測(cè)電路來判斷符號(hào)；(5)檔位自動(dòng)控制軟件通過分析所述有符號(hào)數(shù)字量是否超過上限和下限來判斷是否需要向更合理的方向調(diào)整測(cè)量檔位；其實(shí)現(xiàn)方法是，預(yù)設(shè)一個(gè)檔位，通過所述測(cè)試電壓控制軟件輸入測(cè)試信號(hào)(VT)后，按照以下方法分析所取得的有符號(hào)數(shù)字量，即該值落入預(yù)定的上限與預(yù)定的下限之間時(shí)，檔位合適，保留當(dāng)前檔位；否則，在低于該下限時(shí)切換檔位到一個(gè)高反饋電阻值的檔位，在高于該上限時(shí)切換檔位到一個(gè)低反饋電阻值的檔位；在檔位變化時(shí)按照新設(shè)檔位重新進(jìn)行一次測(cè)量并按上述方法判斷處理，直到檔位合適；(6)零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件通過測(cè)試電壓控制軟件使輸入測(cè)試電壓(VT)為零時(shí)，通過所述A/D轉(zhuǎn)換軟件獲得的有符號(hào)數(shù)字量作為零點(diǎn)，在加輸入測(cè)試信號(hào)電壓(VT)時(shí)獲得的有符號(hào)數(shù)字量去掉該零點(diǎn)，以獲得已校零數(shù)據(jù)；(7)傳感器電阻計(jì)算軟件按照下列方法計(jì)算，即傳感器電阻等于常數(shù)乘以所述測(cè)試信號(hào)電壓(VT)乘以對(duì)應(yīng)于合適檔位的等效反饋電阻值再除以所述已校零數(shù)據(jù)，該常數(shù)反映測(cè)量電路的固有參數(shù)特性。本發(fā)明的一種獲得大阻值精密電阻的方法，其特征在于該方法是在測(cè)量的放大器中采取常規(guī)精密阻值電阻的衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)以獲得很大阻值的精密等效反饋電阻。所述衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)的一種典型結(jié)構(gòu)即是前述的反饋網(wǎng)絡(luò) M8的典型結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算，這樣的衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)的等效反饋電阻Rf = R11+R12+R11*R12/ R13，該式表明，通過小阻值的R13和較大阻值的R12、R13即可獲得極大的等效反饋電阻值 Rf，而Rll，R12，R13均可采用常規(guī)方法制備精密電阻值，故可以獲得很大阻值的精密等效電阻Rf.
由上所述，本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，徹底克服了現(xiàn)有測(cè)量技術(shù)中動(dòng)態(tài)測(cè)量精度低、不能測(cè)量高阻值納米傳感器、加在傳感器上的測(cè)試電壓源不確定和業(yè)界在傳感器靈敏度方面的誤導(dǎo)等問題，具有以下一系列十分明顯的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過所述測(cè)量電路，尤其是其反饋網(wǎng)絡(luò)徹底解決高阻值精密基準(zhǔn)電阻問題，可以測(cè)量千兆歐以上的納米傳感器電阻值，并且得到的測(cè)量結(jié)果就是傳感器的真實(shí)電阻值和靈敏度值；通過設(shè)置和自動(dòng)切換不同反饋網(wǎng)絡(luò)(檔位)的電路和方法解決傳感器反應(yīng)過程中阻值大范圍動(dòng)態(tài)變化時(shí)測(cè)量精度問題；通過將傳感器接入反向運(yùn)算放大器輸入端的方式和測(cè)試電壓控制方法解決了加在傳感器上的測(cè)試電壓源不確定性問題和不能隨意設(shè)置的問題，該電壓值可以在用戶需要的任意寬范圍內(nèi)設(shè)定；通過極性處理模塊和極性處理方法解決電路的零點(diǎn)及其動(dòng)態(tài)漂移問題，從而大幅度提高測(cè)量準(zhǔn)確度。本發(fā)明給出了一種完全區(qū)別于傳統(tǒng)傳感器測(cè)量的可行的新電路和新方法，能夠很好地適合于現(xiàn)代新型納米傳感器的特點(diǎn)以及各類其它傳感器的特點(diǎn)，全部測(cè)量和操作可由電腦或單片電腦自動(dòng)控制，全面解決傳統(tǒng)傳感器測(cè)量中測(cè)量范圍窄、測(cè)量精度差問題、大阻值精密電阻難以生產(chǎn)等難題，規(guī)避了傳統(tǒng)測(cè)量方法中諸如測(cè)量電壓不確定性、動(dòng)態(tài)精度差、 將分壓比錯(cuò)誤地視為靈敏度等業(yè)界普遍存在的問題，從而引導(dǎo)傳感器的研究朝正確方向發(fā)展。本發(fā)明還體現(xiàn)了很強(qiáng)的實(shí)用性。所提供的電路中的電子器件都是現(xiàn)在市場上可以直接購買的常用器件，在原材料采購上沒有任何困難；沒有任何特殊的生產(chǎn)工藝，測(cè)量電路無需任何調(diào)整，并通過軟件自動(dòng)調(diào)零，使得生產(chǎn)工藝簡單，成本低、便于大批量生產(chǎn)；用戶使用穩(wěn)定可靠，用戶無需調(diào)整或校準(zhǔn)儀器即可長期使用；無需設(shè)置手工切換的機(jī)械式檔位開關(guān)，采取自動(dòng)檔位分析與控制方法，用戶操作極為簡單而可靠；所述軟件方法對(duì)編程人員沒有特別要求，普通編程人員即可開發(fā)該軟件；以上所述的高阻值、大范圍動(dòng)態(tài)高精度測(cè)量以及可以任意設(shè)置明確的傳感器測(cè)試電壓源值等特點(diǎn)，直接滿足現(xiàn)代米傳感器的研究與測(cè)量要求，這無疑對(duì)現(xiàn)代納米傳感器的研究具有深遠(yuǎn)的意義，推動(dòng)了納米傳感器技術(shù)的研究與發(fā)展。


圖1是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法的基本原理圖。圖2是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法典型的實(shí)施案例1電路圖。圖3是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法典型的實(shí)施案例2電路圖。圖4是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量方法軟件流程圖。圖5是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法中衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)的另外一種形式的例子。圖6是傳統(tǒng)傳感器的分壓式測(cè)量原理電路圖。
具體實(shí)施例方式圖2是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法一個(gè)典型的實(shí)施案例，說明如下(1)本方案以一片普通的型號(hào)為STC12C5A16S2的單片機(jī)U4為核心實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)作為數(shù)值處理器(MO，具有高精度多通道A/D轉(zhuǎn)換器、PWM脈寬調(diào)制輸出、定時(shí)器、多口線以及16KBFLASH的軟件程序存儲(chǔ)器等配置，可以滿足本發(fā)明的需求。(2)測(cè)試電壓源M6由運(yùn)算放大器U3輸出，U3接為高阻輸入電壓跟隨器，故測(cè)試電壓源來自R06與C06組成的低通濾波器，該低通濾波器的信號(hào)來自單片機(jī)U4的一根PWM脈寬調(diào)制信號(hào)輸出口線Pl. 4。VT作為測(cè)試傳感器電阻的輸入信號(hào)電壓，該測(cè)試電壓源的大小由單片機(jī)U4通過脈寬調(diào)制信號(hào)控制。PWM作為一項(xiàng)單片機(jī)常見配置和技術(shù)，故其原理無需多做說明。(3)運(yùn)算放大器U1，作為主測(cè)量放大器，與待測(cè)傳感器電阻Rs和連接在Ul正、 負(fù)輸入端之間的反饋網(wǎng)絡(luò)組成放大器，用以產(chǎn)生含有傳感器電阻Rs測(cè)量信息的測(cè)量電壓 VAD1。(4)該反饋網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)或以上的反饋單元并聯(lián)組成，其中一個(gè)反饋單元由電控開關(guān)SWl與衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)M8串聯(lián)組成，該衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)M8的結(jié)構(gòu)是電阻Rll和電阻R12 串聯(lián)，且還包含另一個(gè)電阻R13，其一端接地，另一端接在該電阻Rll和R12的串接節(jié)點(diǎn)。通過計(jì)算，這樣的反饋單元的反饋電阻Rf = R11+R12+R11*R12/R13，因此，通過小阻值的R13 和較大阻值的R12、R13即可獲得極大的等效反饋電阻值Rf，以利于測(cè)量高阻值的傳感器； 另一個(gè)反饋單元?jiǎng)t由電控開關(guān)SW2、電阻R2串聯(lián)組成，這樣的反饋單元的反饋電阻Rf = R2。本方案的電控開關(guān)SWl和SW2為模擬電子開關(guān)⑶4066B，其中SWl的控制端(13腳)、 SW2的控制端(5腳)分別連接到單片機(jī)U4的口線P3.6、P3.5。這樣的反饋單元可以進(jìn)一步增加以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)量檔位，并由單片機(jī)的其它口線控制，可進(jìn)一步提高測(cè)量范圍和精度。(5)極性處理模塊由下述電路構(gòu)成通過電阻R04連接到運(yùn)算放大器Ul的輸出端和運(yùn)算放大器U2的負(fù)輸入端，并以R05作為U2輸出端與負(fù)輸入端的反饋電阻，組成了倒相器，用以產(chǎn)生含有傳感器電阻R s測(cè)量信息的反相測(cè)量電壓VAD2。(6)以上測(cè)量的電壓信號(hào)VADl和VAD2分別與單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端Pl. 7 和Pl. 6連接。A/D轉(zhuǎn)換器通過對(duì)上述VADl和VAD2轉(zhuǎn)為為數(shù)字量，即可判斷測(cè)量電壓的符號(hào)。根據(jù)這些有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)和零測(cè)試電壓及正常的測(cè)試電壓數(shù)據(jù)即可得到去掉零點(diǎn)的數(shù)據(jù)并計(jì)算出待測(cè)傳感器的電阻值和反應(yīng)前后的電阻值之比(即靈敏度)。(7)電源模塊MOl用AC到DC轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)，為本測(cè)量儀提供電源；顯示模塊M03 用于顯示測(cè)量結(jié)果；鍵盤模塊M02用于輸入測(cè)量參數(shù)和控制測(cè)量，它們與單片機(jī)U4的口線連接，由單片機(jī)控制。圖3是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法另一個(gè)典型的實(shí)施案例，由于基本部分與上例相同，故以下只需就不同部分進(jìn)行說明(1)本方案設(shè)置一片A/D轉(zhuǎn)換器U8(AD571)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能，以轉(zhuǎn)換測(cè)量的絕對(duì)值電壓信號(hào)AD3 ；設(shè)置一片D/A轉(zhuǎn)換器U9(DAC0807)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生測(cè)試電壓源。(2)本方案采取PC機(jī)(個(gè)人電腦)擴(kuò)展卡插入機(jī)內(nèi)主板擴(kuò)展槽的方式獲得所需要的各種I/O 口線，這部分模塊即為圖中的M9，PC機(jī)即為圖中的模塊M10，兩者組合起來即為模塊M5。這些口線用以控制測(cè)量電路和讀取數(shù)據(jù)到PC機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理，包括與A/D轉(zhuǎn)換器U8(AD571)、D/A轉(zhuǎn)換器U9(DAC0807)連接的各種口線，用來控制檔位的電子開關(guān)的控制口線、用于極性判別的口線等。以上擴(kuò)展卡可采用市面現(xiàn)成的I/O擴(kuò)展卡。本方案以PC機(jī)和擴(kuò)展卡作為數(shù)值處理器(M5)。(3)本方案的電控開關(guān)SWl和SW2為微功耗繼電器S1A05，其線圈(5腳)由上述
8口線控制。(4)測(cè)試電壓源M6由D/A轉(zhuǎn)換器U9(DAC0807)輸出后連接運(yùn)算放大器UlO及其反饋電阻R012后輸出。D/A轉(zhuǎn)換器由PC機(jī)控制。(5)極性處理模塊由絕對(duì)值電路和極性檢測(cè)電路構(gòu)成由運(yùn)算放大器TO、TO和二極管D01、D02以及電阻R07-R011組成了一個(gè)典型的絕對(duì)值電路(此電路很多教材書上都有)，即是說，從運(yùn)算放大器U7輸出的測(cè)量的信號(hào)電壓VAD3與從運(yùn)算放大器Ul輸出的測(cè)量信號(hào)VADl的關(guān)系是VAD3 = IAVDl |。另外，通過比較器(或運(yùn)算放大器)U7，即可檢測(cè)到運(yùn)算放大器Ul輸出的測(cè)量信號(hào)的極性，并通過U7輸出高低電平來指示，并被PC機(jī)所讀取。 這樣就可獲得有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)這些有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)和零測(cè)試電壓及正常的測(cè)試電壓數(shù)據(jù)即可得到去掉零點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)并計(jì)算出待測(cè)傳感器的電阻值和反應(yīng)前后的電阻值之比(即靈敏度)。(6)電源模塊MOl由擴(kuò)展卡提供，為本測(cè)量儀提供VCC、+Vs，_Vs，-Vee，Vref電源； 顯示模塊M03即為PC機(jī)的顯示器，用以顯示測(cè)量結(jié)果；鍵盤模塊M02即為PC機(jī)的鍵盤，用于輸入測(cè)量參數(shù)和控制測(cè)量，它們由PC機(jī)控制。實(shí)施電路的其它說明(a)以上所有實(shí)施方案中傳感器電阻Rs僅體現(xiàn)其主體傳感部分(即電阻)，實(shí)際上一些傳感器還可能需要加熱電源，但該加熱電源不屬于本發(fā)明的內(nèi)容，故被省略。(b)本發(fā)明已經(jīng)包含了接入或不接入ROl電阻的方案。在運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端接入一個(gè)電阻R01，旨在對(duì)運(yùn)算放大器輸入做一定的保護(hù)，不會(huì)到測(cè)量結(jié)果，不影響本發(fā)明的效果。(c)本發(fā)明電控開關(guān)可以采取電子模擬開關(guān)或繼電器等類型的器件的方案，必要時(shí)還可能使用驅(qū)動(dòng)電路或電平轉(zhuǎn)換電路接在電控開關(guān)的控制端與數(shù)值處理器(單片機(jī)U4) 控制口線之間，這些均不影響本發(fā)明的效果。(d)本發(fā)明還包含了所述衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)的各種變種形式，其基本機(jī)制都是通過衰減反饋信號(hào)來提升等效反饋電阻Rf的值，圖5就是其中一種等效的變種形式，它是在圖 2中衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上再插入了一級(jí)由R14、R15組成的衰減電路。這些形式均不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性效果。(e)任何串聯(lián)的器件或單元，交換其位置若電路效果不變，均視為與本發(fā)明方案等效，例如所述電控開關(guān)SWl與所述電阻Rll交換位置，不會(huì)影響到本發(fā)明的效果和本質(zhì)。(f)本發(fā)明中任何電阻(或其它可串聯(lián)、并聯(lián)使用的器件)均可以由多個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)或混聯(lián)方式，但效果只相當(dāng)于一個(gè)電阻(或一個(gè)同類器件)，仍然視為這種單一電阻(或單一器件)的形式。這些形式均不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性效果。圖4是本發(fā)明的一種傳感器電阻測(cè)量方法軟件的流程圖，該方法前已述及，這里只需結(jié)合圖2或圖3的實(shí)施案例電路圖做進(jìn)一步說明圖4這是處理流程圖，它說明一個(gè)傳感器的測(cè)量過程始于測(cè)量初始化，而后依次是檔位自動(dòng)控制軟件與A/D轉(zhuǎn)換軟件、零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件，而這兩部分軟件會(huì)依次通過測(cè)試電壓控制軟件、A/D轉(zhuǎn)換軟件與極性處理軟件以獲得有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)，再通過傳感器電阻計(jì)算軟件，最后得出精密傳感器阻值等參數(shù)(電阻值、靈敏度值、反應(yīng)速度值等)。結(jié)合圖2。其中，測(cè)試電壓控制軟件通過Pl. 4控制和輸出測(cè)試電壓源M6，單片機(jī)U4輸出PWM脈寬調(diào)制信號(hào)時(shí)輸出可變的測(cè)試電壓源M6 ；A/D轉(zhuǎn)換軟件通過單片機(jī)U4的口線Pl. 7采集測(cè)量電壓信號(hào)VAD1，通過Pl. 6采集測(cè)量的反相測(cè)量電壓信號(hào)VAD2 ；檔位自動(dòng)控制軟件通過單片機(jī)U4的口線P 3.6控制電控開關(guān)SW1、P3. 5控制SW2，該口線為高電平時(shí)打開、低電平時(shí)關(guān)閉所連接的電控開關(guān)。根據(jù)檔位數(shù)量的不同可以采用該單片機(jī)其它口線用類似的方法進(jìn)行檔位控制。零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件是通過測(cè)試電壓控制軟件輸出零測(cè)試電壓信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換軟件和極性處理軟件以獲得有符號(hào)的零點(diǎn)數(shù)據(jù)的。(通過控制單片機(jī) U4的口線Pl. 4輸出0電平時(shí)輸出0電壓) 結(jié)合圖3。測(cè)試電壓控制軟件通過PC總線將測(cè)試電壓數(shù)據(jù)輸出到D/A轉(zhuǎn)換器以輸出測(cè)試電壓；A/D轉(zhuǎn)換軟件通過PC總線讀取從A/D轉(zhuǎn)換器輸入的絕對(duì)值測(cè)量電壓信號(hào)所轉(zhuǎn)換的測(cè)量數(shù)據(jù)，并讀取測(cè)量電壓信號(hào)極性，以獲得有符號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)；檔位自動(dòng)控制軟件通過PC總線輸出的檔位控制口線控制電控開關(guān)SW1、SW2。根據(jù)檔位數(shù)量的不同可以采用其它口線用類似的方法進(jìn)行檔位控制。零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件是通過測(cè)試電壓控制軟件輸出零測(cè)試電壓信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換軟件和極性處理軟件以獲得有符號(hào)的零點(diǎn)數(shù)據(jù)的。
權(quán)利要求
1.一種傳感器電阻測(cè)量儀，由電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊組成，其特征在于還包括測(cè)試電壓源(M6)用于測(cè)量的信號(hào)電壓源，連接到數(shù)值處理器(M5)的輸出口線，并由數(shù)值處理器(MQ控制；運(yùn)算放大器(Ul)用作測(cè)量放大器；待測(cè)傳感器電阻(Rs)連接在所述測(cè)試電壓源(M6)與該運(yùn)算放大器(Ul)負(fù)輸入端之間，這樣就使得待測(cè)傳感器電阻Rs上所加的測(cè)試電壓是確定的；反饋網(wǎng)絡(luò)連接在所述運(yùn)算放大器(Ul)正、負(fù)輸入端之間，該反饋網(wǎng)絡(luò)由至少2個(gè)反饋單元并聯(lián)組成，且其中一個(gè)反饋單元(Ml)由電控開關(guān)(SWl)與衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)(M8)串聯(lián)組成；另一個(gè)反饋單元(M2)則由電控開關(guān)(SW2)與至少含一個(gè)電阻(R2)組成的反饋網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成；所述電控開關(guān)的控制端連接到數(shù)值處理器(MO的口線并由該數(shù)值處理器(M5) 控制；所述電控開關(guān)與反饋單元用于實(shí)現(xiàn)反饋放大器與所述待測(cè)傳感器電阻(Rs)實(shí)現(xiàn)最佳匹配以提高測(cè)量精度和測(cè)量范圍；極性處理模塊(Μ； )其輸入端連接在所述運(yùn)算放大器(Ul)輸出端，用于對(duì)測(cè)量信號(hào)的極性進(jìn)行必要的處理，即極性轉(zhuǎn)換和極性識(shí)別；A/D轉(zhuǎn)換器(M4)其模擬輸入端連接在所述極性處理模塊(Μ； )的輸出端，用于將極性處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；數(shù)值處理器(MQ 連接所述A/D轉(zhuǎn)換器(M4)的數(shù)據(jù)輸出接口，完成對(duì)上述測(cè)量電路的控制和測(cè)量數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于所述衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)(M8)的結(jié)構(gòu)是包含與所述電控開關(guān)串聯(lián)的電阻(Rll)和與該電阻(Rll)串聯(lián)的電阻(R12)，且還包含另一個(gè)電阻(R13)，其一端接地，其另一端接在該電阻(Rll)和(R12)的串接節(jié)點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于所述極性處理模塊(Μ； )是一倒相電路或者一絕對(duì)值電路加上一極性檢測(cè)電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于所述測(cè)試電壓源(M6)的是由所述數(shù)值處理器(iK)的口線及驅(qū)動(dòng)電路組成，或者是D/A轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動(dòng)電路組成，或者是PWM脈寬解調(diào)及驅(qū)動(dòng)電路組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于數(shù)值處理器 (M5)是單片機(jī)，或者微處理器系統(tǒng)，或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，或者由單片機(jī)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于具有權(quán)利要求 2-5中任意兩項(xiàng)權(quán)利要求所限定的全部特征。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于具有權(quán)利要求 2-5中任意三項(xiàng)權(quán)利要求所限定的全部特征。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種傳感器電阻測(cè)量儀及方法，其特征在于具有權(quán)利要求 2-5所限定的全部特征。
9.一種傳感器電阻測(cè)量方法，其特征在于該方法是由軟件實(shí)現(xiàn)的，該軟件包括測(cè)量初始化軟件將以下部分軟件中必要的參數(shù)和變量進(jìn)行初始化；測(cè)試電壓控制軟件控制加在傳感器電阻上的測(cè)試電壓(VT)；A/D轉(zhuǎn)換軟件通過所述測(cè)試電壓控制軟件輸入測(cè)試電壓(VT)后對(duì)含有傳感器的電阻信息的測(cè)量電路輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以獲得含有所述電阻信息的數(shù)字量；極性處理軟件用以判斷所述A/D轉(zhuǎn)換軟件所獲得的數(shù)字量的符號(hào)，獲得有符號(hào)數(shù)字量；檔位自動(dòng)控制軟件通過分析所述有符號(hào)數(shù)字量是否超過上限和下限來判斷是否需要向更合理的方向調(diào)整測(cè)量檔位；零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件通過測(cè)試電壓控制軟件使輸入測(cè)試電壓(VT)為零時(shí)，通過所述A/ D轉(zhuǎn)換軟件獲得的有符號(hào)數(shù)字量作為零點(diǎn)，在加輸入測(cè)試信號(hào)電壓(VT)時(shí)獲得的有符號(hào)數(shù)字量去掉該零點(diǎn)，以獲得已校零數(shù)據(jù)；傳感器電阻計(jì)算軟件按照下列方法計(jì)算，即傳感器電阻等于常數(shù)乘以所述測(cè)試信號(hào)電壓(VT)乘以對(duì)應(yīng)于合適檔位的等效反饋電阻值再除以所述已校零數(shù)據(jù)，該常數(shù)反映測(cè)量電路的固有參數(shù)特性。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種傳感器電阻測(cè)量方法，其特征在于所述極性處理軟件的是通過方式一或方式二進(jìn)行的，其中方式一是通過所述A/D轉(zhuǎn)換軟件對(duì)測(cè)量電路互為反相的兩路輸出電壓所獲得的數(shù)字量進(jìn)行分析，所述A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)電壓信號(hào)采集的數(shù)字量總是為0或近似為零，而另一路所采集的數(shù)字量則總是等于或高于該路的數(shù)字量，這樣就可獲得有效的數(shù)字量和符號(hào)；方式二是通過所述A/D轉(zhuǎn)換軟件對(duì)測(cè)量電路所輸出電壓的絕對(duì)值進(jìn)行采集，通過極性檢測(cè)電路來判斷符號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種傳感器電阻測(cè)量方法，其特征在于所述檔位自動(dòng)控制軟件的實(shí)現(xiàn)方法是，預(yù)設(shè)一個(gè)檔位，通過所述測(cè)試電壓控制軟件輸入測(cè)試信號(hào)(VT)后，按照以下方法分析所取得的有符號(hào)數(shù)字量，即該值落入預(yù)定的上限與預(yù)定的下限之間時(shí)，檔位合適，保留當(dāng)前檔位；否則，在低于該下限時(shí)切換檔位到一個(gè)高反饋電阻值的檔位，在高于該上限時(shí)切換檔位到一個(gè)低反饋電阻值的檔位；在檔位變化時(shí)按照新設(shè)檔位重新進(jìn)行一次測(cè)量并按上述方法判斷處理，直到檔位合適。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種傳感器電阻測(cè)量方法，其特征在于具有權(quán)利要求 10-11所限定的全部特征。
13.一種獲得大阻值精密電阻的方法，其特征在于該方法是在測(cè)量的放大器中采取常規(guī)精密阻值電阻的衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)以獲得很大阻值的精密等效反饋電阻。
全文摘要
一種傳感器電阻測(cè)量儀，由電源模塊、鍵盤模塊、顯示模塊及測(cè)試電壓源、待測(cè)傳感器、運(yùn)算放大器、反饋網(wǎng)絡(luò)、極性處理模塊以及A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)值處理器組成，該反饋網(wǎng)絡(luò)由至少2個(gè)反饋單元并聯(lián)。一種傳感器電阻測(cè)量方法，由測(cè)量初始化、A/D轉(zhuǎn)換、極性處理、檔位自動(dòng)控制、零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)、傳感器電阻計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)。一種獲得大阻值精密電阻的方法，即在測(cè)量的放大器中采取常規(guī)精密阻值電阻的衰減式反饋網(wǎng)絡(luò)以獲得很大阻值的精密等效反饋電阻。本發(fā)明具有可精密測(cè)量超過1G歐的大阻值納米傳感器、實(shí)現(xiàn)大范圍動(dòng)態(tài)高精度測(cè)量、加在傳感器電阻上的電壓確定并可在任意范圍設(shè)定、用戶無需調(diào)校，沒有任何特殊生產(chǎn)工藝要求，適合于量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R27/04GK102539924SQ201010584620
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者張恩迪, 王太宏 申請(qǐng)人:北京中科微納物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)股份有限公司