CN106546361A - 汽车压力传感器中非线性误差的减小 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及汽车压力传感器中非线性误差的减小。用于减小汽车压力传感器中非线性误差的方法和装置。压力传感器包括：压力传感元件，所述压力传感元件包括一对平行电极、一对陶瓷板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极和集成电路(IC)之间的连接。在从压力传感元件捕捉到CX数值后，IC执行1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，线性映射函数减小了非线性误差。

Description

汽车压力传感器中非线性误差的减小
技术领域
本发明总体涉及传感器，且更具体地涉及汽车压力传感器中非线性误差的减小。
背景技术
压力传感器广泛应用于汽车系统中。通常，汽车压力传感器(APT)为基于电容的传感器，其提供与所施加的压力成正比的线性电压输出。由于电容性压力元件的构造，并且尤其是平行板配置，电容到电压或者数字转换会导致显著的非线性误差。
所需要的是一种减少APT非线性的方法。
发明内容
以下呈现了对创新的简要总结，以提供对本发明一些方面的基本理解。该总结不是本发明的宽泛概述。它既不旨在确定本发明的核心或关键元件，也不旨在描绘本发明的范围。其唯一的目的在于以简要的形式呈现本发明的一些概念，以作为稍后要呈现的更详细的描述的前序。
本发明提供用于减小汽车压力传感器中非线性误差的方法和装置。
一方面，本发明突出一种包括压力传感元件的压力传感器，该压力传感元件包括一对平行电极、一对陶瓷板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极与集成电路(IC)之间的连接，在从压力传感元件捕捉到CX数值后，IC执行1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，线性映射函数减小了非线性误差，使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
另一方面，本发明突出一种包括压力传感元件的压力传感器，该压力传感元件包括一对平行电极、陶瓷隔膜板和陶瓷基底板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极和集成电路(IC)之间的连接，在从压力传感元件捕捉到CX数值后，IC执行1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，线性映射函数减小了非线性误差，使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
另一方面，本发明突出了一种集成电路(IC)，其包括在从压力传感元件中捕捉到CX数值后，1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，线性映射函数减小了非线性误差使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
实施例可以具有如下优点中的一项或者多项。
本发明的压力变换器减少了与电容的硬件转换相关联的非线性。
本发明的压力变换器减少了与电容的硬件转换相关联的非线性误差以使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
通过对如下详细描述的阅读以及对关联的附图的回顾，这些以及其它的特征和优点将会明显。应当理解，前述的总体描述和如下详细的描述两者都仅仅是解释性的，并不限制所要求保护的方面。
附图说明
通过参考详细描述连同如下附图，将更全面地理解本发明，其中：
附图1例示了示例性压力变换器。
具体实施方式
现在参考附图描述主题创新，其中通篇使用相同的附图标记指代相同的元件。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了大量具体细节以提供对本发明的透彻理解。然而，可能明显的是，没有这些具体细节也可以实践本发明。在其它实例中，用框图的形式示出公知的结构和设备以便有助于描述本发明。
在以下描述中，术语“或”旨在意味着包含性的“或”而不是排它性的“或”。也就是，除非另外说明或者从上下文清楚的获知，否则“X采用A或者B”旨在意味着任意自然的包含性的排列。也就是，如果X采用A、X采用B、或者X采用A和B两者，那么“X采用A或B”在任意前述实例情况下均满足。另外，用在主题说明书和附图中的冠词“一”和“一个”应当通常被构建为意味着“一个或多个”，除非另外说明或者由上下文清楚的指向为单数形式。
如图1所示，示例性压力变换器10(诸如由马萨诸塞州阿特尔伯勒的SensataTechnologies制造的那些压力变换器)是传感器设备(未示出)的部分，压力变换器执行所测量的参数(例如压力)到可测量单元(例如，电容)的转换。正如本文所使用的，这样的压力变换器通常被称为压力传感元件。
压力传感元件10包括一对平行电极40、50，一对陶瓷板(基底(70)和隔膜(60))，刚性玻璃密封件(示出在隔膜(60)和基底(70)之间、隔膜60的边缘处)以及电极40、50和集成电路(IC)30之间的连接(未示出)。
变换器10中的集成电路(IC)30测量电容，并将其转换为与压力成线性比例的电压。因为该IC 30可以检测由小的隔膜偏移引起的电容的非常小的改变，因此获得极好的滞后和可重复性。
IC 30典型地使用(CX-Czero)/Cref电容到数字的转换技术。由于压力传感元件10的设计，这种转换技术会产生显著的非线性误差。因为所施加的压力与压力传感元件10的间隙高度改变成线性而导致该误差，然而压力传感元件10的电容的改变与间隙高度改变成反比。因此，1/CX与所施加的压力成线性。
CX的硬件转换导致压力传感元件10的大约5％FS到15％FS，其中FS代表“全跨度”。如本文所使用的，压力轴上的跨度是设备的满量程压力范围(例如，对于0到100psi的设备，跨度为100psi；对于200到500psi的设备，跨度为300psi)。设备输出轴上的跨度为满量程输出范围(例如，对于0.5V到4.5V的设备，跨度为4.0V)。
(1/CX)的硬件转换产生相对于压力的最小非线性，对于压力传感元件10，大约在0.3％FS到1％FS。使用该(1/CX)的硬件转换将使非线性误差减小到足以使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。使用CX转换结果要求四点校准和3阶多项式修正以将非线性误差减小成可接受的误差。
更具体的，在CX转换技术中，IC 30转换CX/Cref，或者更精确地，(CX-Czero)/Cref。在校准中，CX数值映射到如下等式1所示的线性输出函数。
如果激励和CX之间的关系是线性的，那么输出函数与激励之间的关系也将是线性的。任何残余的非线性都能通过如下等式2所示的形式的多项式进行修正。
传感器输出＝A*(CX)3+B*(CX)2+D*CX+E (2)
然而，如果非线性中有显著的变化，使用上面等式2所示的多项式要求3阶甚至4阶校准点以获得可接受的性能。如果从设备到设备的非线性误差中的变化小，那么可以退出额外点。如果变化大，没有额外的数据点就难以充分地补偿大的非线性误差。
在本发明中，捕捉CX后，IC 30执行1/CX的线性映射函数。这基于如下等式3所示的关系。
使得则
解Pin，
上面的等式4例示了应用到所捕捉的CX输出的1/CX变形的形式。应用该变形减少了与CX转换相关联的非线性。本质上，该变形消除了1/CX的非线性。仅剩余的非线性由隔膜60的偏移引起。
上面的等式采用CX＝f(P)的形式书写，P为所传感的压力。完成这些以建立变形的基础。实际上，P的数值可以由目标输出值替代。另外，每个C()数值从传递函数导出。以这种方式书写，等式4变为如下：
求解OutX，基本等式 (5)
其中，
以及
变量标签
CX：CDC输出数值转换回电容，变形输入
CL：低校准压力处的CX
OutL：低校准输出
CH：高校准压力处的CX
OutH：高校准输出
OutX：来自变形的输出(CX的更线性的计算)
采用该变形，残余非线性的幅值足够小，从而对很多传感器来说不需要补偿。另外，基于传感元件类型的标称非线性，“类”补偿对很多要求适度的精确度改善的应用来说变成可行选项。
也可以采用如下等式6所示的形式的多项式映射来获得类补偿。这通过基于非线性情况以及每个特定传感器的偏置和增益项导出适当的系数来完成。
传感器输出＝A′*(OutX)3+B′*(OutX)2+D′*(OutX)+E′ (6)
尽管已参照本发明的优选实施例详细地示出和描述了本发明，本领域技术人员应当理解的是，在不偏离如所附权利要求限定的本申请的精神和范围的情况下，可以做出形式和细节上的各种改变。这些变化旨在被本申请的范围所覆盖。正因如此，本申请实施例的前述描述并非旨在限定。而是，在如下权利要求中呈现对本发明的任意限制。

Claims (10)

1.一种压力传感器，所述压力传感器包括：
压力传感元件，所述压力传感元件包括一对平行电极、一对陶瓷板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极和集成电路IC之间的连接，
在从所述压力传感元件捕捉到CX数值后，所述IC执行1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，所述线性映射函数减小了非线性误差，以使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其中所述线性映射函数包括：
Outx＝1/M＊[(1/Cx)-(1/CL]+OutL，其中M＝[((1/CH)-(1/CL))/(OutH-OutL)]并且C()＝CDCout＊Cref+Czero。
3.如权利要求5所述的压力变换器，其中
Cx为转换为电容的CDC输出数值；
CL为低校准压力处的Cx；
OutL为低校准输出；
CH为高校准压力处的Cx；
OutH为高校准输出；以及
Outx为来自变形的输出。
4.一种压力传感器，所述压力传感器包括：
压力传感元件，所述压力传感元件包括一对平行电极、陶瓷隔膜板和陶瓷基底板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极和集成电路(IC)之间的连接，
在从所述压力传感元件捕捉到CX数值后，所述IC执行1/CX数值的线性映射函数，C代表电容，所述线性映射函数减小了非线性误差，以使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
5.如权利要求4所述的压力传感器，其中所述线性映射函数包括：
Outx＝1/M＊[(1/Cx)-(1/CL]+OutL，其中M＝[((1/CH)-(1/CL))/(OutH-OutL)]并且C()＝CDCout＊Cref+Czero。
6.如权利要求5所述的压力传感器，其中
Cx为转换为电容的CDC输出数值；
CL为低校准压力处的Cx；
OutL为低校准输出；
CH为高校准压力处的Cx；
OutH为高校准输出；以及
Outx为来自变形的输出。
7.一种集成电路(IC)，包括：
在从压力传感元件捕捉到Cx数值后，1/Cx数值的线性映射函数，C代表电容，所述线性映射函数减小了非线性误差以使得能够对压力和电容之间的关系进行两点校准。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其中所述压力传感元件包括一对平行电极、陶瓷隔膜板和陶瓷基底板、刚性玻璃密封件以及所述一对平行电极之间的电连接。
9.如权利要求7所述的集成电路，其中所述线性映射函数包括：
Outx＝1/M＊[(1/Cx)-(1/CL]+OutL，其中M＝[((1/CH)-(1/CL))/(OutH-OutL)]并且C()＝CDCout＊Cref+Czero。
10.如权利要求9所述的集成电路，其中
Cx为转换为电容的CDC输出数值；
CL为低校准压力处的Cx；
OutL为低校准输出；
CH为高校准压力处的Cx；
OutH为高校准输出；以及
Outx为来自变形的输出。
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