CN101268338A - 自校准传感器 - Google Patents

Abstract

用于自校准传感器的方法能够在具有校准电路的系统中实现。校准电路具有用于把传感器的输出信号与预定基准信号进行比较的差分电路，所述预定基准信号与基准属性相关联。偏置控制器根据预定基准信号和传感器输出信号之间的偏差来增大或减小传感器操作偏置，以使传感器输出对应于预定基准电压。校准电路能够被嵌入传感器，用以提供自校准传感器。逻辑电路能够被用来形成校准电路。

Description

自校准传感器

技术领域

实施例涉及传感器校准，尤其涉及用于自校准传感器的系统和方法。实施例还涉及自校准传感器，例如红外(infra red IR)、霍尔效应(Hall-Effect)、磁阻(magneto-resistive)和压阻(piezo-resistive)压力自校准传感器。

背景技术

传感器在整个技术应用范围内都有使用，仅举几个例子所述技术应用包括车用、医学和印刷应用。这样的应用要求能够可靠地操作并且根据所规定的性能特性可再生产的传感器。为此原因，传感器通常在生产期间被独立地校准以便补偿由大规模生产技术所引起的传感器性能上的微小偏差，以确保对于所生产的每一个传感器来说都能够准确地执行测量。

电子传感器的性能取决于变送器(transducer)/物质(material)属性和偏置电流或电压。例如，在具有红外(infra red IR)发光二极管(LED)和IR检测器的IR传感器的情况下，来自LED的光束强度受到正向电流(forward current IF)、LED老化、在传感器上聚积的灰尘以及其它因素的影响。因此，对于给定基准感测环境来说实际检测的光束强度会不同于指定强度，从而影响传感器的灵敏度。为了获得具有所要求灵敏度的传感器，可以在生产阶段以及之后在传感器使用寿命期间调节或校准用于每个IR传感器LED的偏置正向电流，以使对于给定的基准感测环境来说传感器提供所要求或指定的输出信号。

已知的传感器校准技术常常利用与传感器分离的复杂校准设备来执行必要的传感器校准。因此，必须把每个单独传感器临时地连接到校准设备以供校准。因此，这样的生产要求导致了传感器的制造成本和时间的增加。

可替换的校准技术利用传感器校准电路，所述电路包括计算机以用于根据每种类型传感器特定的复杂算法来计算传感器特性的校准系数。校准设备必须适合于不同类型的传感器。这种技术在每个单独传感器中实现是既昂贵又复杂的。

这样就需要提供用于自校准传感器的系统和方法，所述系统和方法能够以成本有效的方式以各种传感器实现。

因此，这里所公开的实施例通过提供有效的自校准传感器的系统和方法来直接解决常规校准系统和方法的缺点，所述有效系统和方法适于许多对价格敏感的应用。

发明内容

因此，实施例的一个方面提供了一种用于自校准传感器的改进系统。

实施例的另一方面提供了一种用于自校准传感器的改进方法。

实施例的又一方面提供了一种低成本的自校准传感器。

实施例的又另一方面提供了一种用于自校准传感器的系统，所述传感器能够在不进行大幅修改的情况下以各种不同类型传感器实现。

现在能够如这里所描述的那样实现上述方面及其它目的和优点。

在一方面，用于自校准传感器的系统具有校准电路，所述校准电路把传感器的输出信号与预定基准信号进行比较并且根据预定基准信号和传感器输出信号之间的偏差来增大或减小传感器操作偏置以使传感器输出对应于预定参考电压，其中所述预定基准信号与基准属性(property)相关联。有利的是，校准电路能够在不提供用于对传感器特性执行复杂算法(例如用于计算校准系数和传递函数的那些算法)的电路的情况下通过使用低成本的电路设计来实现。此外，校准电路能够被方便地嵌入传感器中。

校准电路具有用于控制传感器的偏置参数的偏置控制器和用于把预定基准信号与传感器输出信号进行比较并且向所述偏置控制器提供控制信号的差分电路。差分电路具有用于接收传感器输出信号的第一输入、用于接收预定基准信号的第二输入以及被耦合到所述偏置控制器的输入的输出。

被可操作地连接到差分电路和/或偏置控制器的校准开关能够在校准模式和正常模式之间切换系统的操作模式。所述开关能够被并入到差分电路中，用于在校准控制信号和正常模式控制信号之间切换差分电路输出。偏置控制器响应于接收校准控制信号而相应地增大或减小操作偏置，并且偏置控制器响应于接收正常模式控制信号而把操作偏置设置为校准的值。

在使用中，偏置控制器能够响应于接收来自差分电路的控制信号而根据偏差来增大或减小传感器的操作偏置点，以便基本上消除预定基准信号和传感器输出信号之间的偏差，以使所述传感器输出信号对应于预定基准信号。

在另一方面，自校准传感器具有用于感测被测对象(measurand)的感测设备，和被嵌入所述感测设备的校准电路。校准电路具有被耦合到感测设备的偏置控制器，用于控制所述感测设备的偏置参数。所述校准电路具有差分电路，所述差分电路具有被耦合到所述感测设备的输出的第一输入、用于接收预定基准信号的第二输入以及被耦合到偏置控制器输入的输出，其中所述第一输入用于接收传感器输出信号，所述预定基准信号与正被传感器测量的基准属性相关联。校准开关能够被可操作地连接到差分电路和/或偏置控制器，用以在校准模式和正常模式之间切换系统的操作模式。

差分电路能够具有被耦合到用于控制偏置控制器的控制器电路的比较器电路。比较器电路把传感器输出信号与预定基准信号进行比较并且向控制器电路提供反馈信号，所述控制器电路又向偏置控制器提供控制信号。

当自校准传感器在校准模式下操作时，偏置控制器能够响应于接收来自差分电路的控制信号而增大或减小传感器的操作偏置点，以基本上消除预定基准信号和传感器输出信号之间的偏差，以使所述传感器输出信号类似于或等于预定基准信号。在正常模式下，感测设备能够在经校准的操作偏置点操作。

校准电路能够通过使用数字逻辑电路来实现。偏置控制器能够采用被耦合到偏置源的数字电位计的形式，所述偏置源例如电流或电压源。偏置控制器的阻值(resistance value)能够响应于控制信号而被增大或减小，以使偏置源输出对所述传感器相应地进行偏置。可替换地，偏置控制器能够采用被耦合到偏置源的脉宽调制器/解调器的形式。调制器的脉宽(pulse width)能够响应于控制信号而被增大或减小，并且脉宽解调器能够向偏置源提供输出，以使偏置源相应地对所述传感器进行偏置。

校准电路能够包括用于存储校准数据值的校准存储器，例如非易失性的电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)。

根据另一方面，用于自校准传感器的方法包括：安排传感器来感测基准目标物质或其它被测对象，选择所述传感器的输出信号，选择与所述基准物质或其它被测对象相关联的预定基准信号，比较所述传感器输出信号和预定基准信号，确定在所述传感器输出信号和预定基准信号之间的偏差，并且根据所述偏差来增大或减小所述传感器的操作偏置点，直到基本上消除所述偏差为止，以使所述传感器输出信号和所述预定基准信号是相似或相等的。

传感器能够是IR传感器，并且基准目标能够包括条形码。可替换地，对于速度感测应用来说，传感器能够包括霍尔效应/磁阻传感器，并且基准目标能够包括铁磁(ferro-magnetic)齿轮。在接近性感测的情况下，传感器能够是霍耳效应/磁阻传感器，并且基准目标能够包括铁磁性物质。在压力插通/切断(cut-in/cut-off)感测应用中，传感器能够是压阻变送器，并且基准目标可以包括流体/气动(pneumatic)压力。

另外，所述方法能够包括：当传感器输出信号对应于所述预定基准信号时，存储操作偏置点值，并且按要求把所述传感器的操作偏置点设置为存储且校准的值。

用于校准传感器的系统和方法能够结合任何类型的使用偏置信号来起作用的传感器来实现。

附图说明

附图进一步图示了本发明并且连同背景技术、发明内容和具体实施方式一起来解释本发明的原理，其中在不同的附图中同样的附图标记指代完全相同的或功能上类似的元件并且其并入说明书中并形成说明书的一部分。

图1图示了根据优选实施例的自校准传感器的框图；

图2图示了概述根据实施例自校准传感器的步骤的流程图；

图3图示了根据另一实施例的自校准传感器的框图；和

图4图示了根据又一实施例的自校准传感器的框图。

具体实施方式

参照附图的图1，它图示了根据优选实施例的自校准传感器的框图，自校准传感器1的原理元件包括传感器变送器2、3、被耦合到传感器变送器3的输出的放大器5以及与其相耦合的自校准电路6、7、10，用于提供对传感器的自校准。诸如IR LED之类的IR源2和诸如光电晶体管之类的相关联的光检测器3形成传感器变送器。自校准系统具有差分电路7、被耦合到所述差分电路7的输出和传感器变送器2的输入的偏置控制器/源6以及校准开关10，所述校准开关10介于传感器变送器的输出和差分电路7的输入之间。

在图1中所描绘的说明性实施例提供了用于提供自校准传感器的一般方法，所述自校准传感器能够通过计算校准系数来在不对传感器特征使用复杂算法的情况下以成本有效的方式执行自校准。本领域技术人员应当理解图1的图示仅仅用于描绘实施例的一个例子，并且实施例并不局限于此。如下面更详细地论述，自校准系统的电路能够在各种不同的模式下实现。此外，自校准系统能够被容易地应用于任何类型的传感器，所述传感器使用偏置信号来操作，例如霍耳效应传感器、磁阻传感器或压阻压力传感器，并且不局限于在图1所描绘的实施例中所图示的光学传感器。

图2图示了用于概述使用图1中所示出的自校准电路来校准传感器的步骤的流程图。最初，传感器被配置成感测基准属性(图2的步骤101)。例如在图1所示出的光学传感器2、3的情况下，基准属性能够是诸如标准质量纸张之类的基准目标物质4，其位于IR源2和光检测器3之间。系统的校准模式通过选择用于处理的传感器输出信号来被激活(图2的步骤102)。这在图1的自校准传感器中通过闭合校准开关10以使光检测器3的输出电压11被反馈到差分电路7来实现。选择与基准属性相关联的预定基准信号(图2的步骤103)。例如，如果基准目标4使在检测器3所接收的IR源光束强度减少50％，那么基准电压8的值(Vref)就被选择成对应于针对检测光束减少50％所要求的检测器的指定输出信号。

然后，把所选择用于处理的实际传感器输出与预定基准信号进行比较(图2的步骤104)，并且确定传感器输出信号和基准信号之间的偏差(图2的步骤105)。

在图1的例子中，这借助于差分电路7来实现，所述差分电路7把传感器输出电压11(Vo)和基准电压8(Vref)进行比较。然后，由偏置控制源6根据输出信号和基准信号之间的偏差为负还是为正(即根据偏差极性)来增大或减小传感器的操作偏置点，由此，增大或减小传感器输出信号，直到基本上消除实际传感器输出信号和预定基准信号之间的偏差，以使实际的输出信号对应于基准信号(图2的步骤106)。

在图1所描绘的例子中，偏置控制源6根据差分电路7的输出来增大或减小IR源的偏置电流，直到实际输出电压11等于或类似于与基准目标4相关联的基准电压8，以使检测器输出电压对应于IR源光束减少50％所要求的指定输出信号。

此后，通过把传感器操作偏置点固定在作为结果的校准值来激活传感器的正常操作模式(图2的步骤107)。在图1的例子中，这是通过断开校准开关10由此防止检测器输出信号任何更进一步地反馈到差分电路7来实现，以使偏置源把IR源2的操作偏置保持在经校准的操作点。

图1的自校准传感器能够在各种应用中被校准。例如，如果为了检测纸张质量或数量的目的，而要使用自校准传感器，那么在校准模式中，把标准质量的纸张插入在源和检测器之间来充当基准目标。预定基准信号或阈值被选择成使得由检测器所检测的光强度(intensity)提供指定的传感器输出。例如，如果基准电压为2.5V，那么在校准之后，源将会提供具有一定光强度的光束，以使对于该特定质量纸张的检测器输出将会是2.5V。

在纸张或条形码感测应用中，为此所设计的由源提供的光量定义了基准电压。基准电压被选择成使得检测器将在活动区域(active region)中操作。在正常操作模式下，传感器系统能够被用来来检测纸张质量或不同的纸张数量。如果在源和检测器之间放置了任何低质量的纸张，那么光束将会受到低质量的纸张与标准质量的纸张相比较不同的影响，从而引起与标准纸张相比较在检测器的光束强度出现小变化。

因为检测器已经被校准在活动区域中操作，所以光束强度的小变化使检测器的输出信号(在这种情况下为输出电压)相对于基准信号出现可测量的移动，比方说2.5V+δV。此小变化能够被用来感测任何低质量的纸张。此外，如果在源和检测器之间放置了一张以上的纸张，那么在检测器处的光束强度将会小于在它们之间放置单张纸张的情况。这将会使检测器的输出电压相对于基准电压出现变化，比方说2.5-δV。

因此，图1的自校准传感器能够被校准用于任何物质质量(对光或IR是部分透明的)。由于检测器被校准成在活动区域中操作，所以光强度的小离散变化都能够被检测到。

在接近性/位置感测应用的情况下，目标与感测元件之间的空隙(airgap)将会定义预定基准信号或阈值。在速度感测应用中，基准信号或阈值将由感测元件和齿轮齿之间的空隙来定义。在压力开关应用中，基准信号或阈值由插通/切断压力来定义。

因为所述方法依赖于把传感器动态地校准到预定基准信号或阈值，所以可以在不使用与特定类型的传感器相关联的复杂算法计算的情况下对任何类型的传感器高效且快速地实现自校准。因此，可以在不为每种类型的传感器设计算法和相关联的组件的情况下制造自校准传感器，从而使系统的制造更加成本有效并且不那么费时。另外，在以成本有效的方式能够被嵌入传感器的电路设计中来更加容易地实现校准方法。此外，能够在不进行大幅修改的情况下结合不同类型的传感器来使用图1中所示出的自校准系统。所要求的就是根据传感器操作特性来提供适当类型的基准信号以及控制偏置。

能够使用各种校准电路设计来实现用于自校准传感器的方法和系统。一个这种电路是如图3所示的数字电位计(potentiometer)类型的电路，图3图示了根据另一实施例的自校准传感器200。在此特定的实施例中，传感器变送器202具有被电耦合到放大器205的输出，所述放大器205又被电耦合到比较器电路214、215的输入，所述比较器电路214、215用于把经放大的传感器输出电压230(Vo′)与基准电压208(Vref-1)进行比较。如那些本领域技术人员所已知的那样，能够例如借助于采用互补模式安排的一对运算放大器214、215来实现比较器电路。放大器205的输出还被电耦合到另一比较器216的输入，所述比较器216用于把输出电压230与电压基准217(Vref-2)进行比较，由此提供数字信号输出223。

数字逻辑控制器207被电耦合到比较器214、215的输出以及数字电位计211的输入，所述电位计又被电耦合到用于偏置传感器变送器202的偏置电流/电压源206。控制器207具有逻辑电路，所述逻辑电路被安排成当通过负或正的比较器输出触发控制器时增大或减小数字电位计211的阻值。逻辑控制器具有用于与校准请求线220和状态信号线221连接的附加输入/输出。诸如EEPROM之类的非易失性校准存储器212被电耦合到数字电位计和逻辑控制器电路。电源213向传感器电路的各元件供电。

为了把自校准传感器200切换到校准模式，数字逻辑控制器校准请求220被启用，以使控制器根据比较器电路214、215的输出来向数字电位计提供控制信号。当被施加到比较器输入的传感器输出电压230略大于基准电压208(Vref-1)时，比较器电路214的输出接近逻辑高并且比较器电路215的输出接近逻辑低。当输出电压230略小于基准电压208时，比较器电路214的输出接近逻辑低，而比较器电路215接近逻辑高。

逻辑控制器207增大或减小电位计211的阻值，所述电位计211又改变偏置电流/电压源206的输出以增加或降低传感器输出电压230，直到输出电压230最后达到电压基准208。例如在IR传感器、磁阻传感器或霍尔效应传感器的情况下，偏置源206分别调节通过IR LED、磁阻变送器或霍尔效应变送器的正向偏置电流。如果压阻压力传感器被用作传感器，那么偏置源就包括电压/电流源，并且通过调节偏置电压/电流来调节偏置点以便桥接被耦合到传感器变送器的电阻器。

当输出电压230对应于或略大于电压基准208时，那么就有效地消除了它们之间的偏差并且比较器输出的极性发生了切换。逻辑控制器207包括被耦合到比较器214和比较器215的输出的数字比较器输入，当输出电压230等于电压基准208时，比较器214、215这二者的输出都接近逻辑低。逻辑控制器207将此检测为校准过程完成的指示。作为响应，逻辑控制器207向校准存储器212发送标志信号，以存储数字电位计阻值，并且启用校准状态线221，以表明校准过程已经终止并且所述传感器现在能够在正常模式下操作。

如果自校准传感器200被断电，那么在校准存储器212中保持数字电位计的经校准的阻值，以使当对传感器重新加电时，数字电位计阻值被设置为经校准的值，由此把传感器操作点维持在经校准的值而不管是否掉电。

适于实现用于自校准传感器的系统和方法的另一种类型的校准电路是如图4所示的脉宽调制电路，图4图示了根据又一实施例的自校准传感器的框图。在此特定的实施例中，传感器302具有被电耦合到放大器305的输出，所述放大器305又被电耦合到模拟电压输出323和控制器350的输入。

控制器包括用于把传感器变送器302的模拟输出电压351转换成数字数据的模拟到数字转换器315、用于把数字数据与预定电压基准318(Vref-1)和预定电压317(Vref-2)进行比较的数字比较器314、诸如非易失性闪存/EPROM之类的程序存储器313和诸如非易失性EEPROM之类的校准存储器312以及用于产生经调制的交替信号的脉宽调制器307，所述程序存储器313用于存储用来控制PWM发生器350、数字比较器314和数字基准电压318、317的指令集，所述校准存储器312用于存储校准数据。控制器350具有数字信号输出325。

附加的输入/输出能够被分别连接到校准请求线320和校准状态线321。用于产生输出的脉宽解调器311被电耦合到偏置电流/电压源306，所述偏置电流/电压源306又被电耦合到传感器变送器302的输入，其中所述输出具有对应于从脉宽调制器所接收的交替信号的脉宽值的值。电源313向传感器300的各元件供电。

在脉宽调制电路中实现校准电路是尤其是成本有效的，这是因为比较器电路、逻辑控制器、校准存储器、脉宽调制器及其它电路能够被并入单一片的控制器中。

为了把传感器300切换到校准模式，校准请求320被启用，以使脉宽调制器307产生经调制的交替信号，所述交替信号被耦合到用于产生与交替信号的脉宽成比例的输出的脉宽解调器，所述输出又改变偏置电流/电压源306，从而增加或减少传感器变送器302的输出电压351。经放大的传感器输出电压351被转换器315转换成数字数据并且通过数字比较器314与数字基准318(Vref-1)进行比较。

来自数字比较器314的负或正输出触发脉宽调制器307，以使交替信号的脉宽增大或减小，直到由脉宽解调器向偏置电流/电压源306提供的输出足以使输出电压351达到预定基准电压318。此后，控制器350检测到来自转换器的数字数据与基准318(Vref-1)相同并且把表示所产生的交替信号的脉宽的数据存储在校准存储器312中。

通过经校准的脉宽数据被存储在校准存储器中并且在加电时被重新施加到脉宽发生器307，即便传感器300在断电之后再加电的情况下，传感器变送器302也被借助于偏置源306来保持在所设置的操作点。然后，校准状态线321被启用，以表明校准过程完成并且能够在正常模式下使用传感器300。

应当理解，可以根据需要把以上所公开的和其它特征、方面和功能的变化或其替换方式合并到许多其它不同的系统或应用中。还应当理解，本领域技术人员随后可以对其进行各种目前所未预见或未预期的替换方式、修改、变化或改进，这也旨在包含在以下权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于自校准传感器的系统，包括：

校准电路，具有：

用于控制所述传感器的偏置参数的偏置控制器，

差分电路，具有用于接收所述传感器的输出信号的第一输入、用于接收预定基准信号的第二输入以及被耦合到所述偏置控制器的输入的输出，所述输出用于根据所述预定基准信号和所述传感器输出信号之间的偏差来提供控制信号，和

校准开关，被可操作地连接到所述差分电路和/或所述偏置控制器，用以在校准模式和正常模式之间切换系统的操作模式，

借此，在使用中，所述偏置控制器能够响应于接收所述控制信号而增大或减小所述传感器的操作偏置点以便基本上消除所述偏差，由此，提供对应于所述预定基准信号的传感器输出信号。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述校准电路被嵌入所述传感器，所述传感器具有被耦合到所述差分电路的所述第一输入的输出和被耦合到所述偏置控制器的输出的输入。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述校准电路由数字逻辑电路形成。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述差分电路包括：

比较器电路，具有被耦合到所述传感器输出的至少一个输入和用于接收所述预定基准信号的至少一个输入，所述比较器电路比较所述传感器输出和所述预定基准信号，和

数字逻辑控制器，具有被耦合到所述比较器电路的至少一个输出的至少一个输入并且具有被耦合到所述偏置控制器的输入的输出，所述数字逻辑控制向所述偏置控制器提供所述控制信号。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述数字逻辑控制器还包括校准请求输入，所述校准开关可操作来响应于所述校准请求输入被启用而把所述数字逻辑控制器的输出连接到所述偏置控制器输入由此把所述传感器系统的操作模式切换到校准模式，并且可操作来响应于所述校准请求输入被禁止而断开所述数字逻辑控制器输出的连接，由此把所述传感器系统的操作模式切换到所述正常模式。

6.如权利要求4所述的系统，其中所述偏置控制器包括

数字电位计，所述数字电位计根据所述控制信号来增大或减小值，和

偏置源，介于所述数字电位计和所述传感器之间，用于根据所述电位计的值来对所述传感器进行偏置。

7.如权利要求4所述的系统，其中所述校准电路还包括被耦合到所述偏置控制器的校准存储器，用于存储表示校准所述传感器所需的偏置控制器设置的校准数据，当所述校准电路和/或传感器加电时，所述校准存储器被应用于所述偏置控制器，以使所述偏置控制器根据预先校准的操作点来设置所述传感器的操作点。

8.一种自校准传感器，包括：

感测设备，用于感测被测对象，和

被嵌入所述感测设备的校准电路，所述校准电路包括：

被耦合到所述感测设备的输入的偏置控制器，用于控制所述感测设备的偏置参数，

差分电路，具有用于接收所述感测设备的输出信号的第一输入、用于接收预定基准信号的第二输入以及被耦合到所述偏置控制器的输入的输出，所述输出用于根据所述预定基准信号和所述感测设备输出信号之间的偏差来提供控制信号，和

校准开关，被可操作地连接到所述差分电路和/或所述偏置控制器，用于在校准模式和正常模式之间切换系统的操作模式，

借此，在校准模式下，所述偏置控制器能够响应于接收所述控制信号而增大或减小所述感测设备的操作偏置点以便基本上消除所述偏差，由此提供对应于所述预定基准信号的传感器输出信号，并且

借此，在正常模式下，所述感测设备能够在经校准的操作偏置点操作。

9.一种自校准传感器的方法，包括：

安排所述传感器来感测基准物质或其它被测对象，

选择所述传感器的输出信号，

选择与所述基准物质或其它被测对象相关联的预定基准信号，

比较所述传感器输出信号和所述预定基准信号，

确定所述传感器输出信号和所述预定基准信号之间的偏差，以及

增大或减小所述传感器的操作偏置点，直到基本上消除所述偏差为止，以使所述传感器输出信号和所述预定基准信号是相似或相等的。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

当所述传感器输出信号对应于所述预定基准信号时，存储操作偏置点值，以及

把所述传感器的操作偏置点设置为所述存储且校准的值。

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