多动态范围传感器 |
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| 申请号 | CN201010224027.0 | 申请日 | 2010-05-26 | 公开(公告)号 | CN101897588B | 公开(公告)日 | 2014-10-22 |
| 申请人 | 霍尼韦尔国际公司; | 发明人 | L·F·里克斯; I·本特利; P·P·贝; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及多动态范围 传感器 。提供了一种产生多动态范围输出的感测系统。在说明性 实施例 中，第一通道(46)和第二通道(58)从感测元件(24)接收模拟输出 信号 。第一通道(46)提供具有第一动态范围的第一数字 输出信号 (56)，而第二通道(58)提供具有第二较窄动态范围的第二数字输出信号(68)。在某些情况下，第二较窄动态范围落在第一动态范围，并且第一数字输出信号(56)可提供第一 分辨率 而第二数字输出信号(68)可提供第二较大分辨率。如果需要，一个或多个第一通道(46)和第二通道(58)的动态范围和/或分辨率能够被动态地重新配置。 | ||||||
| 权利要求 | 1.用于感测患者呼吸的呼吸感测系统，该呼吸感测系统包括： |
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| 说明书全文 | 多动态范围传感器技术领域[0001] 本公开大致涉及传感器，尤其是，涉及用于处理传感器数据的装置和方法。 背景技术[0002] 传感器通常用于感测周围环境的特性和/或参数。现有各种各样的传感器包括适于流量感测、温度感测、压力感测、光感测、磁感测、化学感测、力感测和其他感测的传感器。这些传感器在各种工业领域有着各种各样的应用。例如，在一特定的例子中，流量传感器用于感测流体流中的流体(气体或液体)的流速。这种流量传感器一般用于，如流量计、呼吸计、速率计的各种装置中，和包括，例如，飞行控制应用、工业处理流应用、燃烧控制应用、天气监测应用，及其他的各种应用中。其他传感器经常用于类似的各种不同的应用。 [0003] 传感器常常产生表示在相对宽的所感测到的特性和/或参数的动态范围内的所感测到的特性和/或参数的模拟输出信号。继续以流量传感器为例，流量传感器可感测到流体流中在动态范围为例如0-300升/分钟内的流速。这类流量传感器的输出信号可被提供给模数转换器(ADC)，将传感器的模拟输出信号转换成可被微处理器等读取和理解的数字信号。所使用的特定的模数转换器(ADC)的位数通常限定了传感器动态范围的分辨率。发明内容 [0004] 本公开大致涉及传感器，尤其是，涉及用于处理传感器数据的装置和方法。在一个说明性示例中，提供感测元件，其配置成产生表示感测到的特性和/或参数的模拟输出信号。提供用于从感测元件接收模拟输出信号的第一通道。第一通道具有第一模数转换器(ADC)，并提供具有较宽动态范围的第一数字输出信号。还提供用于从感测元件接收模拟输出信号的第二通道。第二通道包括第二模数转换器(ADC)并提供具有相对于第一通道而言较窄的动态范围的第二数字输出信号。在某些情况下，较窄的动态范围是较宽的动态范围的子集，但这并不是必须的。同样，在某些情况下，较宽动态范围内的第一通道的分辨率小于较窄动态范围内的第二通道的分辨率，但这并不是必须的。 附图说明[0006] 结合附图考虑本公开的下述各种说明性实施例的详细说明，可以更完整地理解本公开，其中： [0007] 图1是用于测量流体流中的流体流速的说明性流量传感器的示意图； [0008] 图2是用于测量流体流中的流体流速的说明性热流量传感器组件的示意图； [0009] 图3是说明性流量传感器组件的示意图； [0010] 图4是具有多通道的说明性流量传感器组件的示意图； [0011] 图5是示出图4中流量传感器组件的通道的动态范围的符号图； [0012] 图6是具有多通道的另一说明性流量传感器组件的示意图。 具体实施方式[0013] 下述的说明需要参考图来阅读，其中遍及这几幅图相似的附图标记指示相似的元件。详细说明和图示出了几个实施例，其用于示例说明本要求权利的发明。尽管下述的说明使用流量传感器作为例子，但可以认识到本发明可以根据需要等同地应用到其他传感器或传感器的应用中，例如包括，流量感测、温度感测、压力感测、光感测、磁感测、化学感测、力感测，和其他。 [0014] 附图1是用于测量流体流12中的流体14的流体流速的说明性流量传感器10的示意图。在此所使用的术语“流体”，根据其应用，可以指气体流或液体流。在说明性实施例中，流量传感器10可置于流体流12中或相邻于流体流12以测量流体流动14的一个或多个特性。例如，流量传感器10可根据需要使用一个或多个热传感器(例如，参见图2)、压力传感器、声传感器、光传感器、皮托管和/或其他合适的传感器或传感器的组合来测量流体流动14的质量流量和/或速率。在某些情况下，流量传感器10可以是可从本申请的TM受让人处得到的微桥或Mcirobrick 传感器组件，但这并不是必须的。适用于测量流体流动14的质量流量和/或速率的说明性的操作方法及传感器结构公开在例如美国专利号 为 4,478,076；4,478,077；4,501,144；4,581,928；4,651,564；4,683,159；5,050,429； 6,169,965；6,223,593；6,234,016和6,502,459中。但，必须认识到，流量传感器10根据需要可以是任何合适的流量传感器。 [0015] 在说明性示例中，流体流12可具有流体流动14的流速范围。例如，流体流12可包括高容量流体流动，中容量流体流动或低容量流体流动。示例低容量流体流动应用可以是用来测量人体，例如婴儿呼吸的呼吸计。其他示例流体流动包括，但不限于，用于成人的呼吸计、流量计、速率计、飞行控制、工业处理流、燃烧控制、天气监控，和其他根据需要的适合的任何流体流动应用。 [0016] 现在参见图2，是用于测量流体流12中的流体流动14流速的热流量传感器组件的说明性实施例的示意图。在该说明性实施例中，流量传感器组件可包括一个或多个加热元件，如加热元件16，和一个或多个传感器元件18和20。如所示，传感器组件包括加热元件16，位于加热元件16上游的第一传感器元件18，和位于加热元件16下游的第二传感器元件20。在该所示示例中，当流体流12中没有流体流动并且加热元件16加热到比流体流动14中流体的周围温度高的温度时，就形成了温度分布并以在加热元件16周围基本对称分布地方式将温度分布传送到上游传感器元件18和下游传感器元件20。在此示例中，上游传感器元件18和下游传感器元件20可感测到相同或相似的温度(如在25％、10％、5％、1％、0.001％等内)。当在流体流12中出现流体流动14，并且加热元件16加热到比流体流动14中流体的周围温度高的温度时，对称的温度分布可以被干扰，而且干扰量可以与流体流12中的流体流动14的流速有关。流体流动14的流速可引起上游传感器元件18感测到相对下游传感器元件20较冷的温度。换句话说，流体流动14的流速可引起上游传感器元件 18和下游传感器元件20之间的温度差，该温度差与流体流12中的流体流动的流速有关。 [0017] 在另一说明性实施例中，流体流动14的质量流量和/或速率可通过在加热元件16中提供瞬时提升的温度状况，进而，引起了流体流动14中的瞬时提升的温度状况(如热脉冲)而确定。当流体流动14的流速非零时，上游传感器元件18可迟于下游传感器元件20接收瞬时响应。流体流动14的流速而后可使用上游传感器元件18和下游传感器元件20的时延，或者给加热器加电的时间和相应提升的温度状况(如热脉冲)被一个传感器例如下游传感器20感测到的时间之间的时延来计算。 [0018] 更进一步地，可以理解说明性加热元件16是可选的，并且，在某些实施例中，根据需要可以不存在。例如，可根据需要使用一个或多个压力传感器、声传感器、光传感器、皮托管和/或任何其他合适的传感器或传感器的组合。 [0019] 图3是说明性流量传感器组件21的示意图。在此说明性实施例中，传感器组件21包括感测元件24和流量感测处理电路22。如所示，感测元件24可包括加热电阻器34和多个传感器电阻器26、28、30和/或32。在此说明性实施例中，电阻器26、28、30和32布置成惠斯顿电桥结构，但在其他实施例中这不是必须的。 [0020] 电阻器26、28、30和32中的至少一个是热敏电阻器，具有相对大的正或负温度系数，使得电阻随着温度的变化而变化。在一示例中，电阻器30和32可以是热敏电阻器。在另一示例中，所有的电阻器26、28、30和32都可以是热敏电阻器。在一些实施例中，热敏电阻器26、28、30和/或32可以是热变电阻器。然而，可以构想，根据需要可以使用任何合适的热敏电阻器。 [0021] 热敏电阻器26、28、30和/或32被布置地使得电阻器26、28、30和32中的一个或多个置于加热电阻器34的上游，电阻器26、28、30和32中的一个或多个置于加热电阻器34的下游，与附图2中所示的那样类似。在一示例中，电阻器26和32可置于加热电阻器34的上游，而电阻器28和30可置于加热电阻器34的下游。在另一示例中，电阻器26可置于加热电阻器34的上游，而电阻器28可置于加热电阻器34的下游，而将作为非热敏电阻器的电阻器30和32远离流体流定位。然而，也可以构想使用其他结构。 [0022] 如所示，在节点40提供正电源电压，其耦合到电阻器26的第一终端和电阻器28的第一终端，如所示。节点40处的正电源电压由感测电路22提供，如所示。在节点42处提供负电源电压，其耦合到电阻器30的第二终端和电阻器32的第二终端，如所示。节点42处的负电源电压由流量感测电路22提供。电阻器26的第二终端在节点43处耦合到电阻器30的第一终端，电阻器28的第二终端在节点44处耦合到电阻器32的第一终端以形成惠斯顿电桥。节点43和44可形成惠斯顿电桥的输出。 [0023] 在该说明性实施例中，传感器组件21可被校准，从而使得当所关注的流体流中不存在流动时，节点43和44之间不会产生或仅产生极少量电压。如上所述，当没有流动存在时，加热元件34将上游和下游的热敏电阻器加热到相同温度，从而惠斯顿电桥将达到平衡。然而，当关注的流体流中存在非零流速时，将在惠斯顿电桥的输出节点43和44处产生模拟电压。如上所述，该模拟电压与关注的流体流的流速相关。 [0024] 在图3所示的说明性实施例中，提供了流量感测电路22。如果需要，流量感测电路22可以集成电路如专用集成电路(ASIC)来实现。然而，这并不是必须的。例如，根据需要，流量感测电路22可实现为固定到印刷电路板上的独立的电部件，和/或可以实现为某些硬件和软件的组合。 [0025] 如所示，流量感测电路22可包括加热控制电路36和调节电路38。加热控制电路36可配置成通过例如提供电流流动通过加热电阻器34以可选地激活和/或失活加热电阻器34。当电流通过加热电阻器34，加热电阻器34可升温，引起流体流中的温度分布。在某些情况下，加热控制电路36可提供电流脉冲通过加热电阻器34以形成流体流中的热脉冲。 [0026] 调节电路38可电耦合到惠斯顿电桥的输出节点43和44。调节电路38根据需要可包括，例如，放大、数字化、线性化、温度补偿、校准、转换，和其他功能。调节电路38可输入存在于惠斯顿电桥节点43和44之间的模拟输出信号，并提供至少一个数字输出信号41。如所示，调节电路38可提供单个输出41，然而，可以构想可以提供多个输出，每个输出具有不同的动态范围和/或分辨率。在某些情况下，可以构想，如果需要，调节电路38的输出41可以是或者包括模拟输出信号。 [0027] 现在转向图4，示出具有多通道的流量传感器组件的示意图。在图4所示的说明性实施例中，传感器元件24包括加热电阻器34和多个热敏电阻器26、28、30和32，类似于上面相对图3所示和所述的。然而，可以构想传感器元件24根据需要可以是任何合适的传感器，包括，例如，任何合适的流量传感器、温度传感器、压力传感器、光传感器、磁传感器、化学传感器、力传感器，或其他任何合适的传感器。 [0028] 在图4所示的说明性实施例中，示出传感器元件24的输出节点43和44经由多个通道或信号通路电连接到多个集成电路，如集成电路46和集成电路58。例如，传感器元件24输出43和44每一个都具有耦合到集成电路46的第一信号通路或通道，和耦合到集成电路58的第二信号通路或通道。尽管在图4中只示出了两个集成电路46和58，然而可以构想根据需要使用任何数量的集成电路。此外，尽管所示的为集成电路46和58，可以构想根据需要这些可以使用固定到印刷电路板上的独立的电部件来实现，和/或可以实现为某些硬件和软件的组合。 [0029] 每个集成电路46和58可以是独立信号通路或通道的一部分。在此说明性实施例中，集成电路46包括放大器48、模数转换器(ADC)50、信号处理电子元件52，和输出级电子元件54。类似地，集成电路58包括放大器60、模数转换器(ADC)62、信号处理电子元件64，和输出级电子元件66。在某些实施例中，集成电路46和58可具有相同的设计和/或电路，在某些情况下，其可提供更大的输出粒度，但这并不是必须的。放大器48和60可配置成放大感测元件24的惠斯顿电桥的输出43和44之间的模拟信号。放大器48和60可配置成具有相同或不同的增益。 [0030] 在某些情况下，放大器48和60可被配置和校准成根据各自的信号通路或通道的所需的动态范围来放大惠斯顿电桥的输出43和44处的相应模拟信号。例如，如果集成电路58的信号通路或通道被配置成具有比集成电路46的信号通路或通道的动态范围更窄的动态范围，则放大器60可配置成比放大器48具有更大增益。 [0031] 模数转换器(ADC)50和62可接收来自相应的放大器48和60的放大的模拟信号，并将相应的放大的模拟信号转换成数字信号以用于进一步处理。模数转换器(ADC)50和62可包括多个位数，例如，根据需要，模数转换器(ADC)50和62每个均可为6位、7位、8位、9位、10位、11位、12位、13位、14位、15位、16位，或其他任意位数。在某些情况下，模数转换器(ADC)50可具有与模数转换器(ADC)62一样的位数，但这并不是必须的。模数转换器(ADC)的量化水平的数目为2的指数，例如，8位模数转换器(ADC)可将模拟输入信号编 8 码到256个量化水平(即2 ＝256)，而14位模数转换器(ADC)可将模拟输入信号编码到 16,384个量化水平。 [0032] 通道的分辨率一般通过将通道的动态范围除以相应的模数转换器(ADC)的量化水平的数目定义。例如，在呼吸计的应用中，如果集成电路46的第一通道或信号通路的动态范围是0-300升/分钟，并且，模数转换器(ADC)50具有14位，分辨率则为约0.018升/分钟。类似地，如果集成电路58的第二通道或信号通路的动态范围是0-30升/分钟，并且，模数转换器(ADC)62具有14位，分辨率则为0.0018升/分钟，或者说分辨率大约是前例中的第一通道或信号通路46的较宽动态范围的分辨率的10倍。在某些实施例中，模数转换器(ADC)62和/或模数转换器(ADC)50的动态范围可动态地配置和/或重新配置。如此，可根据需要增加，减少，或平移第一和/或第二信号通路或通道的动态范围。放大器48和60的增益可类似地配置和/或重新配置。 [0033] 在某些实施例中，集成电路46的第一通道或信号通路的动态范围和/或集成电路58的第二通道或信号通路的动态范围可以通过软件、电子调节、附加分立电路和/或其他任何合适的方式来配置和/或重新配置。在某些软件控制的情况下，命令可以从例如内部或外部控制器被传送到集成电路46和/或58或它们的部分，以动态地重新配置第一通道和/或第二通道。在一示例中，放大器48和/或60可具有可由内部或外部控制器调节的增益和偏移，以引起第一通道和/或第二通道内的水平平移和/或增益平移。然而，可根据需要使用任何增加、减少和/或平移第一和/或第二信号通路或通道的动态范围的其他方式。 [0034] 在某些情况下，第一通道或信号通路的动态范围和第二通道或信号通路的动态范围可根据需要完全重叠、部分重叠或不重叠。在一示例中，如果需要，集成电路58的第二通道或信号通路的动态范围可以是集成电路46的第一通道或信号通路的动态范围的子集。当这样提供时，模数转换器(ADC)50的数字输出信号可具有第一分辨率，模数转换器(ADC)62的数字输出信号可具有大于第一分辨率的第二分辨率，但仅在较窄的动态范围内(假设模数转换器(ADC)50和62的量化水平相等)。 [0035] 模数转换器(ADC)50和模数转换器(ADC)62的数字输出信号可输入到相应的信号处理电子元件52和64中以进一步处理。在某些情况下，根据需要，信号处理电子元件52和64可配置成对数字输出信号执行线性化、温度补偿、校准、转换和/或其他信号处理。处理后的数字信号可被输入到相应的输出级电子元件块54和66。输出级电子元件块54和66可根据所需的输出(模拟或数字)处理数字信号。在某些情况下，每个集成电路46和58可具有输出56和68以提供相应的数字输出信号。 [0036] 在某些实施例中，提供可选的输出选择器70以提供传感器的单输出72。在一示例中，可选的输出选择器可具有耦合到第一通道的输出56的第一输入，耦合到第二通道的输出68的第二输入。输出选择器70可配置成根据控制信号在输出72上输出输出信号56或输出信号68。在一实施例中，输出选择器70的控制信号可包括到感测元件24的惠斯顿电桥的模拟输出信号43和44的连接。在此示例中，如果模拟输出信号43和44在第二通道的动态范围内，则输出选择器70可选择数字输出信号68，如果模拟输出信号43和44在第二通道的动态范围外，则输出选择器70可选择数字输出信号56。这仅仅是一个示例。更进一步地，根据需要，可以构想，输出选择器70可由使用者或控制器手动地或电动地进行调整以选择所需的输出。在其他情况下，如果需要，可以构想，输出选择器70可多路传输(multiplex)数字输出信号56和68为输出72上的单输出信号。在一个示例呼吸应用的实施例中，第一通道可被配置成感测婴儿的流体流动，而第二通道可被配置成感测成人的流体流动。在这一应用中，输出选择器70可被配置成根据模拟输出43和44的动态范围自动地选择第一通道的输出56或第二通道的输出68。 [0037] 在此说明性实施例中，所示的可选的输出选择器70与集成电路56和68独立。然而，可以构想将可选的输出选择器70根据需要整合入集成电路56和/或集成电路68。更进一步地，所示的加热控制电路36通过集成电路56实现。然而，如果需要，可以构想将加热控制电路36包括在集成电路68内，或单独提供。 [0038] 图5是示出图4的流量传感器组件的第一和第二通道的动态范围的符号图。以呼吸计应用为例，数字输出信号56的动态范围可以是，例如，0-300升/分钟，而数字输出信号68的动态范围可以具有较窄的动态范围，例如，0-30升/分钟。然而，这些只是说明性的。 [0039] 假设图4的模数转换器(ADC)50和62具有相同位数，较窄动态范围输出信号68的分辨率将比较宽动态范围的输出56更大，如图5中更密间隔的水平线所标识的。并且，如图所示，数字输出信号68的动态范围是输出信号56的动态范围的子集，但这并不是必须的。可以构想，数字输出信号68的动态范围根据需要可以与输出信号56的动态范围重叠、部分重叠或不重叠。 [0040] 如上所述，可以构想的是，数字输出信号68和/或数字输出信号56的动态范围可以被配置和/或重新配置。例如，如图所示，数字输出信号68的动态范围是0-30升/分钟。然而，可以构想的是，数字输出信号68的动态范围可以重新配置为10-40升/分钟，290-300升/分钟。例如，示出了数字输出信号68的可选择的动态范围是190-220升/分钟。而且，可以构想的是，动态范围可以根据需要增加或减小。例如，动态范围可以被重新配置以使得具有10-30升/分钟或100-200升/分钟的动态范围。分辨率可以类似地重新配置。在某些情况下，动态范围、分辨率和/或其他参数可以根据需要例如用软件、反馈线和/或任何其他合适的方法或电路动态地实时(on the fly)重新配置。在一示例中，第一通道和/或第二通道可动态地追踪模拟输出43和44的范围。然而，根据需要可以使用任何动态重新配置动态范围、分辨率和/或其他参数的其他合适的方法。 [0041] 如上所述，尽管图中没有示出，可以构想的是，数字输出信号56的动态范围和数字输出信号68的动态范围可以不重叠。例如，数字输出信号68的动态范围可以是大约0-30升/分钟，而数字输出信号56的动态范围可以是大约30-330升/分钟。更进一步地，可以构想的是，如果需要，每个通道的动态范围可配置成具有相同的分辨率，诸如例如，数字输出信号56的动态范围可以是0-150升/分钟，而数字输出信号68的动态范围是151-300升/分钟。更进一步地，可以理解前述的动态范围、分辨率和模数转换器(ADC)50和62的位数仅仅是说明性的而不意味着任何形式的限制。可以构想的是，根据需要，可以使用任何合适的动态范围、分辨率和模数转换器(ADC)的位数。 [0042] 现在转向图6，示出了另一具有多通道的说明性流量传感器组件的示意图。在图6的说明性实施例中，传感器元件24包括加热电阻器34和多个热敏电阻器26、28、30和32，与相对图3和4中所示和所述的相似。然而，可以构想的是，根据需要传感器元件24可以是任何合适的传感器，包括例如任何合适的流量传感器、温度传感器、压力传感器、光传感器、磁传感器、化学传感器、力传感器或任何其他合适的传感器。 [0043] 在图6的说明性实施例中，示出传感器元件24的输出节点43和44与N个集成电路，如集成电路46、集成电路58和集成电路74电连接。尽管图6仅示出了三个集成电路46、58和74，可以构想根据需要使用任意数量的集成电路，如1、2、3、4、5、6、7或更多的集成电路。在此实施例中，传感器元件24的输出43和44可每个都具有N个信号通路或通道，如耦合到集成电路46的第一信号通路或通道，耦合到集成电路58的第二信号通路或通道，耦合到集成电路74的第三信号通路或通道。在此说明性实施例中，集成电路74可包括放大器76、模数转换器(ADC)78、信号处理电子元件80和输出级电子元件82，与上述的集成电路46和58相似。集成电路74可输出具有动态范围和/或分辨率的数字输出信号84，在某些情况下，其可与数字输出信号56和68相似地输入到输出选择器中。 [0044] 与上述的实施例相似，可以构想的是，数字输出信号84以及任何来自N个通道或信号通路的附加的输出信号的动态范围都可以被配置和/或重新配置，与上述的数字输出信号56和68的动态范围相似。更进一步地，可以构想的是，根据需要数字输出信号56的动态范围，数字输出信号68的动态范围，数字输出84的动态范围，以及未示出的任何其他N个通道或信号通路的数字输出信号的动态范围，可以重叠、不重叠或重叠和不重叠输出的任意组合。更进一步地，可以构想的是，根据需要每个通道或信号通路的动态范围可配置成具有相同的分辨率或不同的分辨率。 [0045] 尽管已经由此描述了本发明的优选实施例，本领域技术人员可容易地明白，在所附的权利要求的范围内，可以做出和使用其他实施例。由本文档所涵盖的本公开的大量优点已如前所述。然而，可以理解，本公开在很多方面仅仅是说明性的。在不超出本发明的范围的情况下，可以在细节上作出改变，尤其是构件的形状、尺寸和布置的方式。当然，范围是在其中表达了所附权利要求的语言中限定的。 |
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