CN1497250A - 传感器和传感器的输出特性转换方法 - Google Patents

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Abstract

压力传感器(1)，包括用于根据压力传送模拟信号的传感元件。压力传感器(1)将模拟信号通过输入－输出端子(8)输出到微机(20)。输入－输出控制电路(4)监测在输入－输出端子(8)的电压值。当输入－输出端子(8)的电压由微机设为高值并偏离预定范围时，输入－输出控制电路(4)将输出检测信号的输入－输出端子(8)功能性地改变为用于从微机输入外部信号的端子。在输入－输出端子(8)改变为用于输入外部信号的端子之后，范围控制电路(7)通过输入－输入端子(8)读取外部命令信号并转换输出特性。

Description

传感器和传感器的输出特性转换方法
发明领域
本发明涉及传感器和传感器的输出特性转换方法。
发明背景
常规压力传感器通常相对于所测物体的压力范围具有一个适当的范围。
然而，例如，对于传感器设置时进行的泄漏检测和在系统中实际采用的传感器的实际应用，当以高精度检测不同范围的压力的时候，所测量物体压力方面的差别大。因此，在一个传感器中需要有两个范围。
如图10所示，在应对多个范围的压力传感器中，联系压力值和输出电压设置上、下限电压并在它们之间进行多次返回操作。因此，即使在大压力的情况下，也可以按与小电压相同的解决办法检测压力。
另外，如图11所示，设置参考电压设定端子，从外部器件(微型计算机等)输入模拟电压。因此，如图12所示，转换各参考电压的特性线路，以相同的解决办法检测宽范围的压力。
然而，在图10的情况中，没有实际的压力可以从传感器输出中区分出来。因此，问题在于有使用的限制。也就是说，由于压力值仅根据输出电压是不确定的，必须通过进一步利用来自外部器件(微型计算机等)的其它信息确定压力值。此外，在图11和12的情况中，问题在于在外部器件(微型计算机等)中需要DA转换器来设定参考电压，需要使专用布线(参考电压线)的数量增加一个。
发明内容
本发明是在这样的背景下研制的，其目的是在转换输出特性的同时能够容易地检测所测物体的数值。
根据本发明方案的传感器的输出特性转换方法，用于接收电源电压供应或输出检测信号的至少一个端子功能性地改变为用于输入外部信号的端子。在此状态下，外部命令信号通过此改变端子进行读取，转换输出特性。因此，和常规情况相比，在没有增加布线(端子)数量的情况下转换了输出特性。结果，在转换了输出特性的同时容易地检测出所测物体的数值。
在根据本发明的另一方案中，当上述外部命令信号是数字信号时，和常规情况(图11和12)相比不再需要采用DA转换器，这实际上是优选的。
此外，根据本发明另一方案的传感器，当由端子功能改变器件监测端子中的电压值并且此电压值离开预定范围时，预定端子功能性地改变为用于输入外部信号的端子。在预定端子改变为用于输入外部信号的端子之后，通过改变端子读取外部命令信号，由输出特性转换器件转换输出特性。因此，和常规情况相比，在没有增加布线(端子)数量的情况下转换了输出特性。结果，在转换输出特性的同时容易地检测出所测物体的数值。
根据本发明的再一方案，当上述外部命令信号是数字信号时，和常规情况相比(图11和12)不再需要采用DA转换器，这在实际上是优选的。
从下面提供的详细描述，本发明的应用领域显得更为明显。应理解，详细描述和特定实施方式在表示本发明的优选实施方式的同时，仅以说明为目的，不表示对本发明范围的限制。
附图说明
图1是根据第一优选实施方式的传感器的框图。
图2描述了表示在压力和输出电压之间的关系的特性曲线。
图3是用于说明传感器工作的时间图。
图4是根据第二优选实施方式的传感器的框图。
图5是用于说明传感器工作的时间图。
图6是根据第三优选实施方式的传感器的框图。
图7是用于说明传感器工作的时间图。
图8是根据第四优选实施方式的传感器的框图。
图9是用于说明传感器工作的时间图。
图10是表示现有技术器件在压力和输出电压之间关系的特性曲线。
图11是现有技术参考电压设定端子的示意图。
图12是表示现有技术器件在压力和输出电压之间关系的特性曲线。
最佳实施方式
下述优选实施方式的描述实际上仅仅是说明性的，决不表示对本发明、其应用或用途的限制。
(第一实施方式)
下面根据附图说明用于实现本发明的第一实施方式。
图1表示在此实施方式中系统的电路结构。该系统具有压力传感器1。此压力传感器1与用于控制系统全部工作的微机20相互联系。
压力传感器1具有传感元件2、传感器调节电路3、输入-输出控制电路4、选择器5、用于调节的存储器6、范围控制电路7、输入-输出端子8、正电源端子8和负电源端子10。高压侧电源端子(VDD)连接于正电源端子8，负电源端子10接地。也就是说，压力传感器1接收电源电压VDD的供应。将高压侧电源电压VDD设定为5伏特。另外，微机20连接于压力传感器1的输入-输出端子8。另外，高压侧电源端子(VDD)连接于微机20。
在压力传感器1中，传感元件2优选由半导体压力传感器例如压电电阻型实施，并根据检测电压输出模拟信号。具体而言，例如，压电电阻型半导体压力传感器具有通过微型机械加工在硅衬底中形成的隔板(薄壁部分)和通过杂质扩散在这种隔板中形成的压电电阻刻度(gauge)。这里，在传感元件2中的模拟信号一般是小信号并具有温度特性和偏移量。此外，可能存在由例如各个产品不同引起的误差因素。
传感器调节电路3根据传感器元件2的压力输入模拟信号，除了放大处理之外，对偏移量、温度特性等进行调节。具体而言，在传感器调节电路3中，放大模拟信号，将由传感元件2提供的模拟信号的误差因素根据具体要求改变为预定的压力函数。与此处理有关的数据被储存到用于调节的存储器6。在传感工作时间，调节用存储器6的数据通过选择器5传送至传感器调节电路3，在传感器调节电路3中执行根据此数据的处理(调节)。在调节用存储器6中采用非易失性的存储器例如EPROM等，熔丝等。
输入-输出控制电路4连接于传感器调节电路3和输入-输出端子8。在检测信号输出模式的时间内，输入-输出控制电路4从传感器调节电路3输入模拟信号(模拟电压信号)，并将此模拟信号传送至输入-输出端子8。也就是说，输入-输出控制电路4从输入-输出端子8输出通过改变电压分量而获得的检测信号。
范围控制电路7连接于输入-输出控制电路4。输入-输出控制电路4进一步监测在输入-输出端子8的电压值。当根据此电压监测器获得了下面描述的传感器侧输入等待模式时，范围控制电路7通过输入-输出端子8和输入-输出控制电路4读取从微机20传送出的数字数据。然后，范围控制电路7根据该数字数据提供的范围通过选择器5选择调节用存储器6的数据。
图2表示在压力传感器1中的范围，即输出特性(L1，L2)，还表示压力和输出电压的关系。由线性函数表示特性线L1、L2。在特性线路L1、L2中，截距都是β，特性线路L1的倾角θ是θ1，特性线路L2的倾角θ是θ2(＜θ1)。当微机20传送的数据是二进制数字“00”时，利用特性线路L1检测低压力。此外，当微机20传送的数据是二进制数字“01”时，利用特性线路L2检测高压力。
下面说明压力传感器1的工作。
图3是用于说明此操作的时间图。纵坐标轴表示在图1的输入-输出端子8的电压，横坐标轴表示时间。
图3中，当设定高压侧电源电压VDD为5伏特时，在t0-t1的时段中(检测信号输出工作模式)执行检测信号的输出操作，在1伏特至4伏特范围内的传感结果作为模拟电压值输出。即，端子8用作信号输出端子。
在时间t1，微机20强制地将图1的输入-输出端子8的电压设为5伏特。输入-输出控制电路4利用比较器等检测此电压，并从检测信号输出工作模式改变成传感器侧输入等待模式。在图3的t1-t2的时段内，输入-输出控制电路4执行用于改变端子功能的操作，将端子8的功能从信号输出端子改变成信号输入端子。即，将输入-输出端子8设定为输入等待状态，传感器输出中断。
此后，在图3的t2-t3的时段内，范围控制电路7执行数据读取操作。也就是说，范围控制电路7通过端子8读取由微机20传送的两位的范围选择数据(用于确定范围的数字信号)。在两位的范围选择数据中，L-电平设定为零伏，H-电平设定为5伏特。在图3的t2-t3的时段内，表示输入二进制数字“01”的情况。因此，压力传感器1以与微机20串行通信的方式利用数字信号输入范围选择数据。
然后，在范围控制电路7中识别来自微机20的数字信号的内容。
在图3的t3-t4时段内，范围控制电路7根据来自微机20的数据、对由微机20要求的特征线路(范围)L1、L2进行转换操作。
具体而言，范围控制电路7通过选择器5在调节用存储器6的数据中读取所需要的数据，以便在由微机20所要求的范围内设定传感器输出，并改变在传感器调节电路3中的模拟电路(OP放大器等)的连接状态。例如，范围控制电路7改变放大电路的增益。除了利用选择器5的选择方法之外，还可以采用用于将存储区域分成各范围并仅读取目标区域的方法。
当转换范围时，在图3的时间t4解除传感器侧输入等待状态。此后，设定检测信号输出工作模式，执行检测信号的输出操作，从端子8输出根据压力的模拟电压。即，将在从1伏特至4伏特的范围内的传感结果作为模拟电压值输出。
因此，在没有增加DA转换器和布线数量的条件下能够检测在多个范围内的压力。因此，能够以低成本在多个范围内进行压力检测。
如上所述的实施方式具有以下特点。
(A)对于压力传感器的输出特性转换方法，在图3的t1-t2时段内，用于输出检测信号的端子8功能性地改变为用于输入外部信号的端子。在此状态下，在图3的t2-t3时段内，作为外部命令信号的范围选择信号通过此端子8读取。在t3-t4的时段内，转换输出特性(范围)。因此，和常规情况相比，在没有增加布线(端子)数量的情况下转换了输出特性(范围)。此外，由于在微机20中已经知道所采用的范围，因此能够根据压力传感器1的检测信号(输出值)确定压力值。这样，在转换输出特性(范围)的同时，能够容易地检测出所测物体的数值。
由于作为外部命令信号的范围选择数据是数字信号，因此优点在于和常规情况(图11和12)相比、不再需要采用DA转换器。
用于电源电压供应的端子(9)的功能还可以改变为用于外部信号输入的端子，代替将图1中用于检测信号输出的端子(8)的功能改变为用于外部信号输入的端子的结构(将利用图8在第四实施方式中进行详细描述)。简言之，至少将用于接收电源电压供应或输出检测信号的端子功能性地改变为用于输入外部信号的端子、并且在此状态下通过此改变端子读取外部命令信号并转换输出特性充分可行的。
(B)端子8、端子功能改变器件(输入-输出控制电路4)和输出特性转换器件(范围控制电路7)被设置为压力传感器。端子8输出由电压分量的改变提供的检测信号。当端子8的电压值受到监测并偏离了预定范围时，端子功能改变器件将此端子8功能性地改变为用于输入外部信号的端子。在端子8改变为用于输入外部信号的端子之后，输出特性转换器件通过此端子8读取外部命令信号，并且转换输出特性。因此，实现了(A)的方法。
在图2中，在作为输出特性的范围(特性线路L1、L2)内，线性函数的倾角(灵敏度)θ设为彼此不同。不仅如此，线性函数的截距(偏移电压)β还可以设定为在范围(特性线路L1、L2)内彼此不同。图2表示采用两种特性线路L1、L2(两个范围)的情况。但还可以设定更多特性线路L1、L2(范围)。
(第二实施方式)
现在着重于在第一和第二实施方式之间的差别说明第二优选实施方式。
图4表示取代图1的在此实施方式中的系统结构。图5表示取代图3的在此实施方式中的时间图。
在第一实施方式中，实现了利用模拟电压作为传感器输出的三端子结构的压力传感器。但在此实施方式中，体现了利用模拟电流作为传感器输出的两端子结构的压力传感器。
在图4中，压力传感器1具有端子30和负电源端子10。另外，微机20连接于压力传感器1的端子30。高电压侧电源端子(VDD)连接于微机20，高电压测电源电压VDD设定为10伏特。负电源端子10接地。
端子30是用于接收由微机20供应的电源电压并且将通过电流分量上的改变提供的检测信号输出到微机20的端子。也就是说，通过模拟电流将由端子30传感的压力值从压力传感器1输出到微机20。
接下来，利用图5的时间图说明压力传感器1的操作。图5的纵坐标轴表示图4的端子30的电压。
当设定高电压侧电源电压VDD＝10伏特时，在图5的t10-t11时段内执行检测信号输出操作，在2伏特至8伏特范围内的传感结果作为模拟电流输出。
当达到图5的时间t11时，微机20强制地将图4的端子30的电压设定为10伏特。在压力传感器1中，作为端子功能改变器件的输入-输出控制电路4监测端子30中的电压值，并检测这种改变，即，端子30的电压值偏离了预定范围。输入-输出控制电路4从检测信号输出工作模式转换为传感器侧输入等待模式。此外，在图5的t11-t12时段内，输入-输出控制电路4执行改变端子功能的操作，将端子30从信号输出端子功能性地改变为用于输入外部信号的端子。即，将端子30设定为输入等待状态并中断传感器输出。
在端子30改变为用于输入外部信号的端子之后，在图5的t12-t13时段内，作为输出特性转换器件的范围控制电路7执行数据读取操作。即，范围控制电路7通过端子30读取由微机20传送的两位的范围选择数据(外部命令信号)。在两位的范围选择数据中，L-电平设为5伏特，H-电平设为10伏特。在图5的t2-t3时段内，它表示输入二进制数字“01”的情况。
在图5的t13-t14时段内，范围控制电路7根据来自微机20的此数据改变(转换)输出特性，即，特性线路(范围)L1、L2。
此后，在图5的时间t14解除传感器侧输入等待状态。此后，达到检测信号输出工作模式，在转换了范围的状态下执行压力检测操作。在从2伏特至8伏特范围内的传感结果作为模拟电流值输出。
这样，在图5的时间t11从微机20侧提供了高电压，因此在压力传感器1内识别此高电压，设定传感器侧输入等待模式。通过以二进制数值形式将电源电压从微机20改变至压力传感器1，构成数字数据。在完成范围设定之后，根据压力改变消耗电流，通过进行电流通信传送至微机20侧。
(第三实施方式)
现在着重于在第一和第三实施方式之间的差别说明第三优选实施方式。
图6表示取代图1的在此实施方式中系统的结构。图7表示取代图3的在此实施方式中的时间图。
如图6所示，高电压侧电源端子(VDD)连接于微机20。高电压侧电源电压VDD设定为5伏特。在压力传感器1中的第一端子(正电源端子)40是用于接收电源电压供应的端子，并连接于微机20。在压力传感器1中的第二端子(输入-输出端子)41是用于输出由电压分量的改变所提供的检测信号的端子，并连接于微机20。
图7的纵坐标轴表示在图6的第一端子(正电源端子)40的电压和在图6的第二端子(输入-输出端子)41的电压。
在图7的t0-t1时段内，压力传感器1执行检测信号输出操作，同时，压力传感器1通过第一端子(电源端子)40接收由微机20提供的4伏特的电源电压。此时，从第二端子(输入-输出端子)41向微机20输出作为检测信号的模拟电压。
此后，在图7的时间t1，微机20将第一端子(电源端子)40的电压从4伏特改变为到5伏特为止。作为图6的端子功能改变器件的输入-输出控制电路4监测在第一端子(电源端子)40中的电压值。当通过从4伏特至5伏特改变电压值使得电压值偏离了预定范围时，在t1-t2时段内，输入-输出控制电路4将第二端子(输入-输出端子)41功能性地改变为用于输入外部信号的端子。
在第二端子41改变为用于输入外部信号的端子时，在图7的t2-t3时段内，作为输出特性转换器件的范围控制电路7通过端子41读取两位的范围选择数据，并且在t3-t4的时段内改变范围。即，范围控制电路7读取外部命令信号，并转换输出特性。
在两位的范围选择数据中，L-电平设为0伏特，H-电平设为5伏特。在图7的t2-t3的时段内，表示输入二进制数“01”的情况。
此后，在时间t4，微机20将第一端子(电源端子)40的电压返回至4伏特。因此，解除了传感器侧输入等待状态。在t4之后执行检测信号输出操作。
(第四实施方式)
现在着重于在第一和第四实施方式间的差别说明第四优选实施方式。
图8表示根据第四实施方式的系统框图。图9表示相应的工作时间图。
如图8所示，高电压侧电源端子(VDD)连接于微机20，将高电压侧电源电压VDD设为10伏特。在压力传感器1中的第一端子(正电源端子)50是用于接收电源电压供应的端子，并连接于微机20。在压力传感器1中的第二端子(输出端子)51是用于输出由电压分量的改变所提供的检测信号的端子，并连接于微机20。
图9的纵坐标轴表示在图8的第一端子(正电源端子)50的电压和在图8的第二端子(输出端子)51的电压。
在图9的t0-t1时段内，压力传感器1执行检测信号输出操作，同时，压力传感器1通过第一端子(电源端子)50接收由微机20提供的5伏特的电源电压。此时，从第二端子(输出端子)51向微机20输出作为检测信号的模拟电压。
此后，在图9的时间t1，微机20将第一端子(电源端子)50的电压从5伏特改变为6伏特。作为图8的端子功能改变器件的输入一输出控制电路4监测在第一端子(电源端子)50中的电压值。当通过将电压值改变为6伏特使得电压值偏离了预定范围时，在t1-t2时段内，输入-输出控制电路4将第一端子50功能性地改变为用于输入外部信号的端子。
在第一端子50改变为用于输入外部信号的端子时，在t2-t3时段内，作为输出特性转换器件的范围控制电路7通过此端子50读取两位的范围选择数据，并且在t3-t4的时段内改变范围。即，范围控制电路7读取外部命令信号，并转换输出特性。
在两位的范围选择数据中，L-电平设为4伏特，H-电平设为6伏特。在图9的t2-t3的时段内，表示输入二进制数“01”的情况。
此后，在时间t4，微机20将第一端子(电源端子)50的电压返回至5伏特。因此，解除了传感器侧输入等待状态。然后在t4之后执行检测信号输出操作。
本发明的说明书实际上仅是示意性的，因此，不脱离本发明要点的变化也在本发明的范围内。不能认为这种变化背离了本发明的精神和实质。

Claims (7)

1.一种传感器的输出特性转换方法，其中该传感器用于接收电源电压并输出检测信号，该方法包括：
将至少一个端子(8、30、40、41、50)的功能从接收电源电压或输出检测信号转换成输入从外部接收的信号；以及
在端子(8、30、40、41、50)输入从外部接收的信号的同时，通过由该端子读取外部命令信号来转换传感器的输出特性。
2.根据权利要求1的传感器的输出特性转换方法，其中所述外部命令信号是数字信号。
3.一种传感器，包括：
端子(8)，用于输出由电压分量中的改变所提供的检测信号；
端子功能改变器件(4)，用于当端子(8)中的电压值偏离了预定范围时将端子(8)功能性地改变为用于输入外部信号的端子；以及
输出特性转换器件(7)，用于通过端子(8)读取外部命令信号并在端子(8)改变为用于输入外部信号的端子之后转换输出特性。
4.一种传感器，包括：
端子(30)，用于输出由电流分量中的改变所提供的检测信号；
端子功能改变器件(4)，用于当端子(30)中的电压值偏离了预定范围时将端子(30)功能性地改变为用于输入外部信号的端子；以及
输出特性转换器件(7)，用于通过端子(30)读取外部命令信号并在端子(30)改变为用于输入外部信号的端子之后转换输出特性。
5.  一种传感器，包括：
第一端子(40)，用于接收电源电压；
第二端子(41)，用于输出由电压分量中的改变所提供的检测信号；
端子功能改变器件(4)，用于当在第一端子(40)中的电压值偏离了预定范围时将第二端子(41)功能性地改变为用于输入外部信号的端子；以及
输出特性转换器件(7)，用于通过第二端子(41)读取外部命令信号并在第二端子(41)改变为用于输入外部信号的端子之后转换输出特性。
6.一种传感器，包括：
第一端子(50)，用于接收电源电压；
第二端子(51)，用于输出由电压分量中的改变所提供的检测信号；
端子功能改变器件(4)，用于当在第一端子(50)中的电压值偏离了预定范围时将第一端子(50)功能性地改变为用于输入外部信号的端子；以及
输出特性转换器件(7)，用于通过第一端子(50)读取外部命令信号并在第一端子(50)改变为用于输入外部信号的端子之后转换输出特性。
7.根据权利要求3至6任意一项的传感器，其中所述外部命令信号是数字信号。
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