CN105865706A - 用于压力传感器的平衡方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于压力传感器(102)的平衡方法(200)，所述方法具有加载的步骤(202)和求取的步骤(204)。在所述加载的步骤(202)中，以参考压力变化过程(106)和参考温度变化过程(110)加载所述压力传感器(102)，以便在所述压力传感器(102)上得到与所述参考压力变化过程(106)和所述参考温度变化过程(110)相关的电的传感器电压变化过程(116)。在求取的步骤(204)中，在使用所述传感器电压变化过程(116)的至少一个电压值(130)、所述参考压力变化过程(106)的至少一个特征压力值(126)以及所述参考温度变化过程(110)的至少一个特征温度值(128)的情况下求取所述压力传感器(102)的至少一个参考参数(130)，以便平衡所述压力传感器(102)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于压力传感器的平衡方法、一种相应的设备以及一种相应的计算机程序。
背景技术
在没有相对于已知的参考参量进行平衡的情况下，以电压值或电流描绘物理参量的传感器或传感器元件可能仅仅有限地用于物理参量的测量，因为物理参量和传感器的传感器信号之间的关系未知或者仅仅不充分地已知。
DE 10 2012 222 312 A1描述了用于特征化温度传感器的方法和设备。
发明内容
在此背景下，借助在此所提出的方案提出根据主权利要求的用于压力传感器的方法、使用所述方法的设备以及相应的计算机程序产品。有利的构型由相应的从属权利要求和随后的描述得出。
压力传感器以电压力信号描绘压力。在此，压力以压力信号的描绘附加地是温度相关的。换言之，压力传感器根据压力传感器的传感器元件处的温度在相同的压力时提供不同的电值。为了与温度无关地得到压力信号，需要压力信号的温度补偿。
所述补偿可以通过至少一个补偿参数或参考参数实现。在此，可以对于每一个单个的压力传感器求取补偿参数。
提出用于压力传感器的平衡方法，其中，所述平衡方法具有以下步骤：
以参考压力变化过程和参考温度变化过程加载压力传感器，以便在压力传感器上得到与参考压力变化过程和参考温度变化过程相关的电的传感器电压变化过程；以及
在使用传感器电压变化过程的至少一个电压值、参考电压变化过程的至少一个特征压力值以及参考温度变化过程的至少一个特征温度值的情况下求取压力传感器的至少一个参考参数，以便平衡压力传感器。
压力传感器可以理解为具有压力敏感的传感器元件的传感器。在此，压力可以作用于传感器元件并且引起传感器元件的弹性变形。所述变形也可以通过在传感器元件的相对置的侧上的压力差引起。所述变形能够以电信号来描述。传感器元件以反作用力抵抗所述变形。所述反作用力取决于传感器元件的材料的材料特征值。所述材料特征值又可以是与温度相关的。由此，电信号可以不仅是与压力相关的，而且是与温度相关的。换言之，温度变化同样引起信号变化、如压力变化。信号变化可以参照已知的温度变化和已知的压力变化来设置。在此，具有至少一个温度差的参考温度变化过程例如通过限定的能量输入优选借助电磁感应产生。
可以通过电磁感应以参考温度变化过程加载压力传感器。可以通过感应参数来控制参考温度变化过程。通过感应，可以快速且有效地以参考温度变化过程加载压力传感器。感应参数、例如电磁波的波长和振幅直接可供使用。
可以通过感应来在空间上与压力传感器的传感器元件间隔开的加热区域中加热压力传感器。可以通过压力传感器中的热管路来加热传感器元件。通过加热区域和传感器元件之间的间距可以保护传感器元件和/或所属的电子器件免受感应影响。
在参考温度变化过程期间在卸载时间段(Entspannungszeitraum)上能够以卸载温度值加载压力传感器，以便在卸载时间段内使压力传感器中的机械应力卸载。通过在平衡期间使传感器中的或传感器元件上的应力卸载，基于运行中的卸载可以降低或者防止传感器信号的信号漂移。由此，可以实现长时间稳定的压力传感器。
参考温度变化过程可以包括至少一个在两个温度值之间的特征温度差。在使用所述温度差的情况下求取参考参数。通过已知的温度差可以与绝对温度无关地并且因此与温度影响无关地进行平衡。
参考压力变化过程可以包括第一特征压力值和至少一个第二特征压力值。至少一个第一参考参数可以在使用第一特征压力值的情况下求取。至少一个第二参考参数可以在使用第二特征压力值的情况下求取。多个参考参数可以在压力变化过程和/或温度变化过程期间求取。通过多个参考参数可以更精确地平衡压力传感器。
参考压力变化过程和参考温度变化过程可以彼此无关地调节。因此，可以与取决于温度的参考参数无关地求取取决于压力的参考参数。
此外，在此所提出的方案实现一种用于平衡压力传感器的设备，所述设备构造用于在相应的装置中实施、控制或实现在此所提出的方法的一种变型方案的步骤。本发明所基于的任务也可以通过本发明的以设备形式的这种实施变型方案快速且有效地解决。
在此，设备可以理解为处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号的电设备。所述设备可以具有可能按照硬件方式和/或按照软件方式构造的接口。当按照硬件方式构造时，所述接口例如可以是所谓的系统ASIC的一部分，其包含所述设备的不同功能。然而，所述接口也可能是单独的集成电路或者至少部分地由分立的组件组成。当按照软件构造时所述接口可以是例如在微控制器上与其他软件模块并存的软件模块。
计算机程序产品或计算机程序也是有利的，其具有程序代码，其存储在机器可读的载体或存储介质——例如半导体存储器、硬盘存储器或光学存储器上并且用于尤其当在计算机或设备上执行所述程序产品或程序时实施、实现和/或控制根据以上所述的实施方式中任一种所述的方法的步骤。
附图说明
以下借助附图示例性地进一步阐述在此所提出的方案。附图示出：
图1：根据本发明的一个实施例的用于平衡压力传感器的设备的框图；
图2：根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法的流程图；
图3：根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法的时间变化过程；
图4：在根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法期间的温度变化过程；以及
图5：压力传感器在根据本发明的一个实施例的平衡期间的错误颜色示图。
在本发明的有利实施例的随后描述中，对于在不同示图中所示出的并且相似作用的元素使用相同或相似的参考标记，其中不对这些元素进行重复描述。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一个实施例的用于平衡压力传感器102的设备100的框图。设备100具有用于提供压力106的装置104、用于提供温度110的装置108、用于求取的装置112和用于控制用于提供的装置104、108的控制装置114。
控制装置114和用于提供的装置104、108构造用于以参考压力变化过程106和参考温度变化过程110加载压力传感器102，以便在传感器102上得到与参考压力变化过程106和参考温度变化过程110相关的电的传感器电压变化过程116。为此，控制装置114通过压力控制信号118和温度控制信号120控制用于提供的装置104、108。
通过设备100的接口122读取传感器电压变化过程116并且为用于求取的装置112提供所述传感器电压变化过程以进一步应用。
用于求取的装置112使用传感器电压变化过程116的至少一个电压值124、参考压力变化过程106的至少一个特征压力值126以及参考温度变化过程110的至少一个特征温度值128，以便求取压力传感器102的至少一个参考参数130。在所述实施例中，由控制装置114提供压力值126和温度值128。压力值126和温度值128也可以在使用没有示出的参考传感器的情况下检测，其优选通过传感器接近式温度测量装置、如系统ASIC、高温计(Pyrometer)检测。参考参数130用于平衡压力传感器102。
在一个实施例中，用于提供温度110的装置108是感应装置108。所述感应装置108构造用于通过电磁感应以参考温度变化过程110来加载所述压力传感器102。在此，温度控制信号120控制感应装置108的感应参数。感应参数例如可以是电磁波的频率、电磁波的振幅和/或感应装置108和压力传感器102之间的空隙的宽度。
图2示出根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法200的流程图。所述平衡方法200可以在其如图1所示的平衡设备上实施。所述平衡方法200具有加载的步骤202和求取的步骤104。在加载的步骤202中，以参考压力变化过程和参考温度变化过程加载压力传感器，以便在压力传感器上得到与参考压力变化过程和参考温度变化过程相关的电的传感器电压变化过程。在求取的步骤204中，在使用传感器电压变化过程的至少一个电压值、参考压力变化过程的至少一个特征压力值以及参考温度变化过程的至少一个特征温度值的情况下求取压力传感器的至少一个参考参数，以便平衡压力传感器。
换言之，图2示出用于精确平衡压力传感器的方法200的流程图。
当今压力传感器的系统行为的变化要求通过压力和温度的平衡，以便遵守特征曲线公差。对未来几代的要求的中心在于在考虑平衡耗费的情况下所述公差的持续减小。
为了可以通过加热周围环境空气来实现将传感器加热到90℃以进行特征化。由此，得到长时间的温度再控制过程
通过在此所提出的具有感应式加热的方案得出相对于此缩短的运作时间(Durchlaufzeit)。由于在用于传感器的测试系统中的相应地小的插接空间，产生小的空间需求。此外，可以降低能量成本。快速加热使更高阶次的温度系数的确定对于批量使用成为可能。
在传感器元件的焊接之后，压力传感器可以具有可逆的输出电压变化。所述输出电压变化通过车辆中的大于100℃的第一温度范围消除(abbauen)。通过在此所提出的方案可以容易地均衡平衡之前的漂移。
通过在此所提出的方案可以提高质量或检查精确度。此外，可以减小特征曲线公差、所需要的检查耗费以及检查成本。
压力传感器的与温度相关的平衡系数的准确求取是与绝对温度无关的，而与温度差有关。在此所提出的具有感应式加热的调节过程通过温度差的借助感应参数的确定取代到准确温度上的加热。在此，缩短的加热时间能够实现传感器的持续接通并且由此能够实现更高阶次的温度系数的简化求取。
在此所提出的平衡可以通过一个唯一的简化的过程取代不仅至今的平衡系统的空间加热区域而且用于均衡漂移的生产步骤。
在此，可以缩短加热时间，由此可以显著缩短测试系统的长度并且显著缩短运作时间。得出更高阶次的温度系数的简化测量。此外，通过更高的效率得出能量需求的降低。附加地，检查范围可以通过已扩展的温度范围来扩展。使精确性提高一偏置漂移的量值是可能的。
压力传感器元件的桥电压UBR除受其相对于压力p和偏置O的敏感度E以外也受相对于温度差T－T0的敏感度的影响。所述相关性由偏置的温度系数TKO与敏感度的温度系数TKE特征化。
UBR＝E(T)·p+O(T)
其中，
O(T)＝O+TKO1·(T-T0)+TKO2·(T-T0)2+...
E(T)＝E·(TKE1·(T-T0)+TKE2·(T-T0)2+...)
在此所提出的平衡过程利用以下：借助所引入的确定的热量QIN，传感器中的相同的温度变化T－T0始终与相同的特定的热容c和质量m关联。
T-T0＝QIN/(c·m)
所引入的热量QIN可表示为与感应设备的运行参数(励磁频率f、感应电流I)和传感器材料的运行参数(磁导率p、特定的电阻p、构件厚度d)以高的可复现性的相关性。
QIN·t＝k·I2(μ·ρ·f)0.5
这适用于趋肤深度：
σ＝(ρ/(μ·f))0.5＜d/2
在没有压力加载的情况下得出平衡的测量点的桥电压：
UBR(p＝0)＝O+TKO1·(QIN/(c·m))+TKO2·(QIN/(c·m))2
以及在压力加载的情况下得出：
UBR＝E·p·(1+TKE1·(QIN/(c·m))+TKE2·(QIN/(c·m))2+...)
+TKO1·(QIN/(c·m))+TKO2·(QIN/(c·m))2
有利地，根据随后描述的平衡制度(Abgleichregime)进行用于实现在此所提出的平衡方法的测量。
通过电和气动接通传感器。在多个步骤中，首先在压力加载的情况下加热传感器以便确定TKE，而随后无压力地加热传感器以便确定TKO。在温度的每一次升高之后实现传感器电压的反测，而不需要重新的电接通。温度差的确定可以以上提及的途径在无单独的温度测量的情况下实现。温度变化的中间步骤可以根据平衡参数的所需要的阶次提高直至连续的加热过程。
由所述测量得出可以根据系统参数O、E、TKO1..n、TKE1..n求解的方程组。
图3示出所述平衡过程的示例性实现。
对于所示出的平衡制度替代地，使用加热的第一部分来克服由焊接过程决定的漂移。通过高的加热效率，可以将传感器元件有效地置到所需要的大于100℃的温度上。其余温度系数的求取可以在温度范围中在恢复偏置移位之后、在另一迭代步骤中或者通过随后的传统的平衡来实现。在后一变型方案中，感应式的热输送在那里引起缩短的加热阶段。
图3示出根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法的时间变化过程300。在此，所述平衡方法基本上相应于在图2中所描述的平衡方法。
在使用代表参考压力变化过程的压力曲线302和代表参考温度变化过程的温度曲线304的情况下示出变化过程300。压力曲线302和温度曲线304在一个共同的图中绘出，在其横坐标上绘出连续的时间t。在纵坐标上一方面增大地绘出压力值p而另一方面增大地绘出温度值T。在此，可以不同地标度压力p和温度T。在在此所示出的变化过程300中，既没有将压力p描绘为绝对值，也没有将温度T描绘为绝对值。
在此，压力p在第一压力值p0和第二压力值p1之间波动。在此，压力p快速地增大和减小。压力p尤其突然地减小和增大。压力值p0和p1可以称作特征压力值。
在此，温度T在第一温度值T0和第二温度值T1之间波动。温度T在此具有两个中间值。在此，中间值限界热量QIN。
在此，在变化过程300期间求取多个参考参数。对此，变化过程300具有三个阶段306、308、310。在所述变化过程的开始、在第一阶段306的开始，压力p从p0增大到p1。压力p在整个第一阶段306期间保持在p1上。在第一阶段306的结束时，压力p再次从p1减小到p0。在第一阶段306中，求取两个参考参数TKE1、TKE2。在第一阶段306的开始时，温度T保持在T0上。然后，温度T增大到QIN的下边界值。在下边界值上并且在p1时，在使用现在存在的传感器电压的情况下求取第一参考参数TKE1。第一参考参数TKE1代表温度敏感度系数。随后，温度T增大到QIN的上边界值。在上边界值上并且在p1时，在使用现在存在的传感器电压的情况下求取第二参考参数TKE2。第二参考参数TKE2同样代表温度敏感度系数。QIN的下边界值和QIN的上边界值之间的温度差是独特的。在求取温度敏感度系数时，温度差可以相对于下边界值处的压力值和上边界处的电压值之间的电压差地设置。
在第二阶段308的开始时，压力p从p0下降到p1并且在整个第二阶段308期间保持在p0上。在第二阶段308中，求取两个另外的参考参数TKO1、TKO2。温度T在第二阶段308的开始时保持在QIN上的边界值上。在所述上边界值上并且在p0时，在使用现在存在的传感器电压的情况下求取第三参考参数TKO1。所述第三参考参数TKO1代表温度偏置系数。随后，温度T增大到T1。在T1和p0时，在使用现在存在的传感器电压的情况下求取第四参考参数TKO2。第四参考参数TKO2同样代表温度偏置系数。在第二阶段308的结束时，温度T通过自然的热辐射从T1下降到T0。
在第三阶段310中，求取两个另外的参考参数O、E。在第三阶段310的开始时，压力p在p0上。温度T在T0上。在使用现在存在的传感器电压的情况下求取第五参考参数O。第五参考参数O代表压力传感器的偏置。随后，压力p从p0增大到p1。在T0和p1时，求取第六参考参数E。第六参考参数E代表压力传感器的敏感度。在第三阶段310的结束时，压力p再次从p1下降到p0。
在一个实施例中，在第一阶段306之前以卸载温度值加载压力传感器。在卸载时间段上保持所述卸载温度值，以便使压力传感器中的机械应力卸载。由此，可以实现在机械卸载的压力传感器上的平衡。相对于紧张(verspannt)的传感器，卸载的压力传感器具有改善的热稳定性或者减小的信号漂移。
图4示出在根据本发明的一个实施例的用于压力传感器的平衡方法期间的温度变化过程400、402、404、406。温度变化过程400、402、404、406在时间温度图中绘出。在此，温度变化过程400、402、404、406代表压力传感器的不同部分区域处的温度。在此，压力传感器在加热区域中被感应式地加热。加热区域的温度通过第一温度变化过程400描绘。其他温度变化过程402、404、406代表压力传感器的具有与所述加热区域的越来越大的距离的区域。第二温度变化过程402代表压力传感器的中心处的温度。第三温度变化过程404代表压力传感器的传感器元件上的温度，而第四温度变化过程406代表压力传感器的固定元件上的温度。因此，温度变化过程402、404、406相对于其与加热区域的距离成比例地示出相对于加热区域的温度变化过程400的时间延迟或者惯性。
由变化过程400、402、404、406可以识别到，所述压力传感器具有比可以通过感应式加热输送的热损失更小的热损失。因此，在完成了至加热区域的能量输送之后，在公差范围内存在压力传感器(包含其传感器元件在内)的一定的温度稳定性。
由预试验的不同部件的温度变化过程400、402、404、406的比较示出从压力接头(Druckstutzen)的下方区域至传感器元件的足够好的热传导性。能够实现相应地快速的普遍加热
在周围环境温度为20℃时，冷却的梯度如此平，使得传感器元件对于足够长的时间保持在围绕所力求的平衡温度的±4℃的通道中。
测试传感器直接在预检查之后的完全特征化没有得出失效部分。借助可靠性检查没有确定出例如ASIC的可能导致稍后的区域失效的预先损坏。
图5示出在根据本发明的一个实施例的平衡期间压力传感器120的错误颜色示图。压力传感器102的表面温度通过不同的阴影区域示出。
在加热区域508的感应式加热期间示出压力传感器102。在此可看出，加热区域508具有最高温度，所述温度沿着压力接头500降低，并且六棱形504、印制电路板506和传感器元件502的区域保持比加热区域508显著更冷。由此，在感应式加热期间保护分析处理电子器件不受电磁场的影响。在加热期间并且在感应式加热结束之后，来自加热区域508的热量通过示出的热流510有针对性地输送到传感器元件502。
有利地有针对性地在压力接头500的下方区域中进行感应式加热的技术实现。由预试验的热图像示出限于压力接头500的下方区域508。
传感器102的其他组成部分通过热管路加温，由此，传感器102的电构件502、506较少地暴露于所述场。传感器输出电压此外由于印制电路板506的EMV接线不受感应式加热损害，其中，对于更强的磁场也能够实现与励磁频率协调的过滤。
仅仅示例性地选择所描述的和示图中所示出的实施例。可以完全地或者在单个特征方面相互组合不同的实施例。一个实施例也可以通过另一个实施例的特征来补充。
此外，可以重复实施以及以不同于所描述的顺序的顺序实施根据本发明的方法步骤。
如果实施例在第一特征和第二特征之间包括“和/或”关系，则这样理解：所述实施例根据一种实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征而根据另一种实施方式或者仅仅具有第一特征或者仅仅具有第二特征。
Claims (11)
1.一种用于压力传感器(102)的平衡方法(200)，其中，所述平衡方法(200)具有以下步骤：
以参考压力变化过程(106)和参考温度变化过程(110)加载(202)所述压力传感器(102)，以便在所述压力传感器(102)上得到与所述参考压力变化过程(106)和所述参考温度变化过程(110)相关的电的传感器电压变化过程(116)；以及
在使用所述传感器电压变化过程(116)的至少一个电压值(124)、所述参考压力变化过程(106)的至少一个特征压力值(126)以及所述参考温度变化过程(110)的至少一个特征温度值(128)的情况下求取(204)所述压力传感器(102)的至少一个参考参数(130)，以便平衡所述压力传感器(102)，尤其其中，通过限定的能量输入来产生和/或控制具有至少一个温度差的参考温度变化过程。
2.根据权利要求1所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，通过电磁感应以所述参考温度变化过程(110)来加载所述压力传感器(102)，其中，通过感应参数(120)来控制所述参考温度变化过程。
3.根据权利要求2所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，在空间上与所述压力传感器(102)的传感器元件(502)间隔开的加热区域中通过所述感应来加热所述压力传感器(102)，其中，通过所述压力传感器(102)中的热管路(510)加热所述传感器元件(502)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，在所述参考温度变化过程(110)期间在卸载时间段上以卸载温度值加载所述压力传感器(102)，以便在所述卸载时间段内使所述压力传感器(102)中的机械应力卸载。
5.根据以上权利要求中任一项所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，所述参考温度变化过程(110)包括至少一个在两个温度值之间的特征温度差(T－T0)，其中，在所述求取的步骤(204)中，在使用所述温度差(T－T0)的情况下求取所述参考参数(130)，尤其通过传感器中的限定的能量输入和/或也通过靠近传感器的温度测量装置、如尤其系统ASIC和/或高温计求取所述温度差。
6.根据以上权利要求中任一项所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，所述参考压力变化过程(106)包括第一特征压力值(p0)和至少一个第二特征压力值(p1)。
7.根据权利要求6所述的平衡方法(200)，其中，在所述求取的步骤(204)中，在使用所述第一特征压力值(p0)的情况下求取至少一个第一参考参数(130)，并且在使用所述第二特征压力值(p1)的情况下求取至少一个第二参考参数(130)。
8.根据以上权利要求中任一项所述的平衡方法(200)，其中，在所述加载的步骤(202)中，相互独立地调节所述参考压力变化过程(106)和所述参考温度变化过程(110)。
9.一种设备(110)，其构造用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法(200)的所有步骤。
10.一种计算机程序，其设置用于实施根据以上权利要求中任一项所述的方法的所有步骤。
11.一种机器可读的存储介质，其具有存储在其上的根据权利要求10所述的计算机程序。
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