CN104568289A - 基于硅谐振式传感器的压力生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力生成方法，具体涉及一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法。它包括：步骤一：数据采集，步骤二：数据转换，步骤三：计算最终输出的压力值P。使用本发明的效果是：①与传统压力测量传感器相比，具有较高测量精度。总压在1MPa量程内不超过300Pa，静压在500KPa量程内不超过120Pa。②基于本方法，硅谐振式传感器可在(-40，60)℃的范围内进行高精度压力测量。

Description

基于硅谐振式传感器的压力生成方法

技术领域

本发明属于压力生成方法，具体涉及一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法。

背景技术

当前，航天飞行器对于压力测量要求愈来愈高，主要体现方面包括量程大、精度高、有效期长等方面。在传统应用中，以应用硅压阻传感器进行测量为主。当前，硅压阻传感器技术发展相对比较成熟。硅压阻式压力传感器利用材料的压阻效应进行压力测量，当材料受到应力作用时，其电阻或电阻率发生明显变化，硅压阻式压力传感器则通过敏感电阻或电阻率变化进而敏感压力大小。硅压阻式压力传感器的迟滞性极小，重复性极好，但是作为一种半导体器件，硅压阻传感器对温度的非线性依赖使得传感器必须实施温度补偿。同时，在长时间应用的情况下，由于电阻的应力均分效应而使得传感器灵敏度下降。因此，硅压阻式传感器存在温度补偿难度大，应用有效期短等不足。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术缺陷，提供一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法。

本发明是这样实现的：一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法，包括下述步骤：

步骤一：数据采集

由硅谐振传感器采集压力信息，该压力信息以频率的形式被输出，同时硅谐振传感器还采集实时的温度数据，

步骤二：数据转换

硅谐振传感器以频率形式输出的压力信息被转换为脉冲计数；硅谐振传感器输出的模拟信号的温度信息被转换数字信号形式，

步骤三：计算

用下述公式计算压力值

$x=f_i-\stackrel{\‾}{f}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}P=k_{11}x+k_{12}\mathrm{xy}+k_{13}{\mathrm{xy}}^2+k_{14}{\mathrm{xy}}^3+k_{15}{\mathrm{xy}}^4+k_{16}{\mathrm{xy}}^5\\ +k_{21}{x}^2+k_{22}{x}^{2}y+k_{23}{x}^2{y}^2+k_{24}{x}^2{y}^3+k_{25}{x}^2{y}^4+k_{26}{x}^2{y}^5\\ +k_{31}{x}^3+k_{32}{x}^{3}y+k_{33}{x}^3{y}^2+k_{34}{x}^3{y}^3+k_{35}{x}^3{y}^4+k_{36}{x}^3{y}^5\\ +k_{41}{x}^4+k_{42}{x}^{4}y+k_{43}{x}^4{y}^2+k_{44}{x}^4{y}^3+k_{45}{x}^4{y}^4+k_{46}{x}^4{y}^5\\ +k_{51}{x}^5+k_{52}{x}^{5}y+k_{53}{x}^5{y}^2+k_{54}{x}^5{y}^3+k_{55}{x}^5{y}^4+k_{56}{x}^5{y}^5\end{array}---\left(3\right)$

其中，f_i是硅谐振传感器输出的频率信号，为选定的硅谐振传感器振动频率基准，是硅谐振传感器最大量程的一半对应的数值，U_温i是转换为数字信号的温度信息值，是温度20℃时硅谐振传感器输出的温度信息值，系数k₁₁～k₅₆分别为：

P就是最终输出的压力值。

使用本发明的效果是：①与传统压力测量传感器相比，具有较高测量精度。总压在1MPa量程内不超过300Pa，静压在500KPa量程内不超过120Pa。②基于本方法，硅谐振式传感器可在(-40，60)℃的范围内进行高精度压力测量。

附图说明

图1是本申请使用压力测试装置的结构示意图。

具体实施方式

本申请压力生成方法使用的装置如附图1所示，包括电压转换装置，用于敏感压力的硅谐振传感器(硅谐振传感器输出温度和频率信号，其中温度信号用于表示采样时刻的温度，频率信号表示敏感到的压力的大小)，用于A/D采集的ADG408，用于A/D信号采集的A/D信号转换装置，用于信号传输的FPGA，用于信号处理的DSP处理单元。其中硅谐振传感器用于采集压力信息，并以频率的形式输出，同时还输出采样时刻的温度信息；ADG408作为选通开关，用于将不同硅谐振传感器输出的温度信息与A/D信号转换装置选通；A/D信号转换装置将硅谐振传感器输出的温度信息转换为数字信号，并将该信号发送给DSP处理单元；硅谐振传感器输出的频率信息经过电压转换装置的转换被转换为FPGA可以接受的3.3V(硅谐振传感器输出的频率信息为5V电压，若直接发送给FPGA，可能造成FPGA烧毁)；FPGA对接收到的频率信息计数，然后将计数结果发送给DSP处理单元；DSP处理单元接收到计数结果和数字化的温度信息后，综合处理，形成输出的压力值。

一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法，包括下述步骤：

步骤一：数据采集

由硅谐振传感器采集压力信息，该压力信息以频率的形式被输出，同时硅谐振传感器还采集实时的温度数据。

步骤二：数据转换

硅谐振传感器以频率形式输出的压力信息被转换为脉冲计数；硅谐振传感器输出的模拟信号的温度信息被转换数字信号形式。

步骤三：计算

用下述公式计算压力值

$x=f_i-\stackrel{\‾}{f}---\left(1\right)$

$\begin{array}{c}P=k_{11}x+k_{12}\mathrm{xy}+k_{13}{\mathrm{xy}}^2+k_{14}{\mathrm{xy}}^3+k_{15}{\mathrm{xy}}^4+k_{16}{\mathrm{xy}}^5\\ +k_{21}{x}^2+k_{22}{x}^{2}y+k_{23}{x}^2{y}^2+k_{24}{x}^2{y}^3+k_{25}{x}^2{y}^4+k_{26}{x}^2{y}^5\\ +k_{31}{x}^3+k_{32}{x}^{3}y+k_{33}{x}^3{y}^2+k_{34}{x}^3{y}^3+k_{35}{x}^3{y}^4+k_{36}{x}^3{y}^5\\ +k_{41}{x}^4+k_{42}{x}^{4}y+k_{43}{x}^4{y}^2+k_{44}{x}^4{y}^3+k_{45}{x}^4{y}^4+k_{46}{x}^4{y}^5\\ +k_{51}{x}^5+k_{52}{x}^{5}y+k_{53}{x}^5{y}^2+k_{54}{x}^5{y}^3+k_{55}{x}^5{y}^4+k_{56}{x}^5{y}^5\end{array}---\left(3\right)$

其中，f_i是硅谐振传感器输出的频率信号，为选定的硅谐振传感器振动频率基准，是硅谐振传感器最大量程的一半对应的数值(例如硅谐振传感器最大量程为A，当测量压力A时输出的频率为B，则该硅谐振传感器振动频率基准为B/2)。U_温i是转换为数字信号的温度信息值，是温度20℃时硅谐振传感器输出的温度信息值。系数k₁₁～k₅₆分别为：

P就是最终输出的压力值。

Claims (1)

1.一种基于硅谐振式传感器的压力生成方法，其特征在于，包括下述步骤：

步骤一：数据采集

由硅谐振传感器采集压力信息，该压力信息以频率的形式被输出，同时硅谐振传感器还采集实时的温度数据，

步骤二：数据转换

硅谐振传感器以频率形式输出的压力信息被转换为脉冲计数；硅谐振传感器输出的模拟信号的温度信息被转换数字信号形式，

步骤三：计算

用下述公式计算压力值

$x=f_i-\stackrel{\‾}{f}---\left(1\right)$

P=k₁₁x+k₁₂xy+k₁₃xy²+k₁₄xy³+k₁₅xy⁴+k₁₆xy⁵

+k₂₁x²+k₂₂x²y+k₂₃x²y²+k₂₄x²y³+k₂₅x²y⁴+k₂₆x²y⁵

+k₃₁x³+k₃₂x³y+k₃₃x³y²+k₃₄x³y³+k₃₅x³y⁴+k₃₆x³y⁵

                                       （3）

+k₄₁x⁴+k₄₂x⁴y+k₄₃x⁴y²+k₄₄x⁴y³+k₄₅x⁴y⁴+k₄₆x⁴y⁵

+k₅₁x⁵+k₅₂x⁵y+k₅₃x⁵y²+k₅₄x⁵y³+k₅₅x⁵y⁴+k₅₆x⁵y⁵

其中，f_i是硅谐振传感器输出的频率信号，为选定的硅谐振传感器振动频率基准，是硅谐振传感器最大量程的一半对应的数值，U_温i是转换为数字信号的温度信息值，是温度20℃时硅谐振传感器输出的温度信息值，系数k₁₁～k₅₆分别为：

k₁₁ 1.01325 k₁₂ -0.00243 k₁₃ -0.72358 k₁₄ 2.33162 k₁₅ -0.43251 k₁₆ 0.00326

k₂₁ 2.14302 k₂₂ -0.32446 k₂₃ 0.32854 k₂₄ -0.99864 k₂₅ 0.00134 k₂₆ -0.23146 k₃₁ 0.98633 k₃₂ 1.30105 k₃₃ 0.43882 k₃₄ 0.06102 k₃₅ 0.02214 k₃₆ 0.00974 k₄₁ -0.05241 k₄₂ 0.02571 k₄₃ 0.00963 k₄₄ -0.00701 k₄₅ 0.00385 k₄₆ -0.00013 k₅₁ 0.00032 k₅₂ -0.00021 k₅₃ 0.00001 k₅₄ -0.00001 k₅₅ 0.00011 k₅₆ -0.00024

P就是最终输出的压力值。