CN1079298A - 压力传感器的校正方法 - Google Patents

Abstract

一个双绞线发送器包含有一个压力传感器，该传 感器包含第一和第二传感装置，每一个传感装置有一 阻抗值，其随着要被测量的压力而变化，也随着预定 的环境条件而变化。一个开关交替地把一个固定阻 抗与第一和第二传感装置互连以形成操作关系，从而 得到第一和第二信号，每个信号是要被测量的压力和 预定环境条件的函数。校正电路利用诸如多项式级 数或参照表来处理上述的第一和第二信号，以便得 出修正后的压力信号。

Description

本发明涉及压力测量，特别涉及通过单一的模数转换器以最少的信息丢失和最小的混淆错误来发送代表两个变量的信号。更具体地说，本发明涉及修正测量电路的输出信号，即修正由压力传感器的机体内压或温度的变化而使微分压力信号出现的误差。本发明还可用于校正由于温度变化而引起的使机体或静态压力存在误差的输出信号。

电容式微分压力传感器通常包括一个传感器机盒，盒内有两个被可偏转的薄膜隔开的心室。第一压力作用到第一心室，第二压力作用到第二心室。第一和第二压力之差导致薄膜偏转，偏转的量取决于压差的大小。

薄膜通常包含一个导电区，这个区与心室内壁的导电区是并排地分开的，从而在第一心室和第二心室内形成第一和第二两个可变电容。薄膜随压差而偏转，从而使两个可变电容器的电容值改变。上述的压力传感器被接到一个测量电路，以给出代表可变电容器的电容值的输出信号。此输出信号给出压差的量度。

但是，问题出在电容式压力传感器的非线性。例如，系统中的应力电容可造成非线性，这一点必须于以补偿。

此外，机体内压的变化也会导致错误。机体内压通常也称之为静态压，可以用几种方法定义。为了说明机体内压的各种定义，假定作用到电容式压力传感器的第一和第二心室的第一和第二压力为每平方英寸2990磅（P_L）和每平方英寸3000磅（P_H），两者的压差为10psi（3000psi-2990psi）（psi是压力单位，量纲为磅/英寸²）。定义之一是把机体内压规定为上述例子中的P_H和P_L的平均值，即2995。另一种定义是把机体内压简单地取作P_H或P_L。不管对机体内压采用哪种定义，压力传感器的输出信号中的错误总会由于机体内压的变化而存在。

机体内压的变化对电容式微分压力传感器的影响可以用下面的例子来说明。例中的P_H＝3000psi，P_L＝2990psi，压差为10psi，机内压为2995psi（利用P_H和P_L的平均值作为机体内压的量度标准）。但是，当P_H＝10psi和P_L＝0psi时，两者的压差仍然是10psi，但机体内压却是5psi了。由于一定的应力作用于压力传感器的外壳，典型的微分压力传感器的输出信号会随着机体内压每改变100psi而变化1%。因此，在上述例子中，由压差产生的输出信号会明显地随着机体内压的改变而变化。人们当然希望有一种方法既能测出压差，又能给出不受机体内压影响的输出信号。

1983年2月1日公告的Frick的美国专利，（编号为4370890）转让给本发明的同一受让人，该专利揭示了一种电容式微分压力传 感器的机械结构，这种结构试图抵消由于机体内压的变化而引起的对电容式压力传感器外壳的不希望的机械应力。Frick给出的这种结构减少了因机体内压变化而引起的微分压力传感器的输出信号的变化。但是还希望能有进一步的校正技术，能够以电子的机制而不用机械机制来校正因机体内压改变而造成的输出信号的改变。

Frick的美国未决申请（序号为7-667320，1991年3月8日递交）转让给了本发明的同一受让人，该申请叙述了用固定的补偿电容器与微分传感器的可变电容器结合在一起的办法使得通过可变电容器的电流减去通过补偿电容器的电流。补偿电容器容量选为恰为能使电路的输出为零，并在一定范围内弥补因机体内压变化而引起的错误。采用固定的补偿电容器的方法限制了传感器的新希望的操作范围，不适应于所有情况。因此仍然需要有一种改进的修正技术。

另一种类型的压力传感器是压敏电阻桥式传感器，这种传感器通常利用单晶硅片做成的由四个压敏电阻元件构成的电桥网络。压敏电阻元件应该这样安排：使得作用于单晶硅片薄膜上的压力能引起电桥的电阻值失去平衡。两个压力P1和P2对薄膜的相反两面起作用，从而使微分压力作用于压敏电阻元件。微分压力的变化引起电桥一对桥臂上的压敏电阻元件阻抗值按某种方式变化，另一对桥臂上的压敏电阻元件的阻抗以相反的方式变化（例如，图4中的压敏元件R5和R6的阻抗变正，另一对压敏电阻元件R7和R8的阻抗变负）。由此而得到的电桥的输出信号代表了微分压力。

当用压敏电桥来测量机体内压（表压或绝对压力）时，作用到硅片的压力的改变通常会使一对压敏电阻元件的阻抗变正，另一对的阻抗变负。每一个压敏电阻元件的阻抗变化之总和代表了机体的内压。

（熟悉本行的专家将会想到，压敏电桥可以是半桥，只用两个压敏电阻元件。微分压力桥上的压敏电阻元件将随着微分压力的改变而使其中之一的阻抗变正，另一个变负。机体内压电桥的压敏电阻元件将随机体内压的变化而使其中之一的阻抗变正，另一个变负。最近用的压敏电阻桥由于经济上的原因都利用了四个压敏电阻元件。）

对微分压力敏感的压敏电桥随着微分压力的变化而变化，也随着机体内压和温度的变化而变化。对机体内压敏感的压敏电桥只对机体内压和温度的改变敏感。这种结果是因为机体内压和温度变化时，存在人们不希望的机械应力强加于这个单晶片的压敏电阻元件上造成的，温度变化时，引起压敏电阻元件阻抗的不希望的变化也是造成上述结果的原因。上述的应力和阻抗的改变反过来又影响电桥的输出信号。由于上述原因，通常的做法是：在一个机体内压电桥中用一个单独的温度传感器，而在微分压力电桥中用一个独立的机体内压电桥和一个温度传感器。就微分压力电桥的情形而言，电桥的输出同时受温度传感器的输出和机体内压电桥的输出两者的影 响，从而能得出正确的微分压力。对于机体内压电桥而言，其输出只要考虑温度传感器的影响就能得出正确的机体内压。每个传感器要有一个它专用的模数转换器，所以，修正机体内压的电桥要有两个模数转换器，修正微分压力的电桥则要有三个模数转换器，每个转换器的作用是把传感器的输出送到处理机的输入端。为了省掉一个或两个模数转换器，有时采用多路转接技术交替地把各个传感器的输出接到同一个模数转换器，但是多路转接有一个缺点，由于把若干个传感器的信息交替地接到同一个转换器，有时会因混淆不清的错误造成信息的丢失。

在本发明中，压力传感器包含有第一个和第二个传感装置，每一个传感装置都有一个阻抗值，此阻抗随着压力而变化，也随着另一个可变的环境条件的变化而变化，对于后一种变化量是要被校正的。上述的可变环境条件可以是机体内压（对微分压力传感器而言），也可以是温度（对微分压力传感器或机体内压传感器而言）。一个固定大小的阻抗被交替地接到第一和第二传感装置以形成运算关系从而导出第一和第二两个信号，每个信号都是被检测变量和要被校正的变量的各不相同的函数。

更具体地说，上述的第一和第二信号是在第一和第二更新周期内产生的，并取决于第一和第二传感装置与第一和第二电路结构中的固定阻抗装置两者合成的有效阻抗。在第一电路结构中，固定大小的阻抗装置传递的信号更改第一传感装置传递的信号。在第二电 路结构中，固定的阻抗装置传递的信号更改第二传感装置传送的信号。校正电路对第一和第二信号作出反应，以计算出正在被检测的修正后的变量的值。

在本发明的优先推荐的实施例中，传感器给出的压力就是微分压力，校正电路计算出针对机体内压的变化而修正后的微分压力。第一和第二信号是微分压力和机体内压的函数。校正电路按照多项式级数处理第一和第二信号，或者参照参考表得出相对于机体内压的变化而修正后的微分压力信号。

而且，在本发明的优选的实例中，微分压力传感器是一个电容式的压力传感器，它有第一和第二两个电容式传感装置，这两个传感装置能对第一和第二压力作出反应以给出代表微分压力的输出。上述的固定阻抗装置是一个固定大小的电容，其电容值随着机体内压的改变而改变。连接装置交替地把这个固定电容器分别接到第一和第二电容式传感装置以构成相互间的操作关系。

根据本发明的改进，校正电路得到针对温度变化修正后的微分压力信号。在此实例中，固定的阻抗装置是一个固定的电容器，其温度系数不同于第一和第二个电容式传感装置的温度系数。第一和第二信号是微分压力和温度的函数，并由校正电路按照多项式级数进行处理，或者根据参考表得到针对温度的变化而修正后的微分压力信号。

根据本发明的另一种改进方法，微分压力传感器是一个压敏电桥传感器，它包含第一和第二压敏电阻元件，每个元件对微分压力以不同方式作出反应，从而给出代表微分压力的电桥输出。上述的固定阻抗装置是一个固定的电阻，其电阻值不随机体内压的改变而改变。最好是这个固定电阻的温度系数与第一和第二压敏电阻元件的温度系数相同。

按照本发明的另一种改进，被感知的压力是机体的内压，校正电路针对温度的变化计算出修正后的机体内压。在此实例中，压力传感器是压敏电桥式传感器，它有第一和第二两个压敏电阻元件，每个元件对机体内压作出不同的反应以给出代表机体内压的电桥输出。固定的阻抗装置是一个固定的电阻，其温度系数不同于第一和第二压敏电阻元件的温度系数。第一和第二信号是机体内压和温度的函数，并由校正电路按照多项式级数进行处理，或者按照参考表得出随着温度改变而被修正的机体内压信号。

图1是说明采用现有技术的微分压力传感器的原理图。

图2是采用了本发明校正技术的带有优选的测量电路实例的微分压力传感器的原理电路图。

图3是图2所述的电路的定时信号图。

图4是采用现有技术的由压敏电桥传感器和测量电路组成的用以测定微分压力或机体内压的原理电路图，它还带有一个用以测量温度的温度传感器。

图5是按照本发明改进后的原理电路图，它给出了采用本发明 的校正技术的用以测量微分压力或机体内压的压敏电桥传感器和测量电路。

图1中的5是一个典型的电容式差分传感器，它有一个机盒7，盒内有一充油的内腔9，偏转系数为E_R。内腔9被薄膜15分隔成第一和第二两个心室11和13。薄膜15包含一个导电区17，它与心室11和13的内壁上的导电区19和21在通常情况下是并排而隔开的。

导电区17和19形成两块平板，这两块平板的距离用它们的中心点距离表示为X1，平板间有第一可变电容器C1。导电区17和21形成的两块平板之间的第二个可变电容器为C2，这两块板之间的中心距离为X2。用任何适当的装置23和25向心室11和13注入受压的液体，如图中箭头P1和P2所示。向心室11和13提供压力P1和P2的装置23和25最好是类似于Frick的美国专利（编号为4370890）中详细计论过的灵活的绝缘子。

温度传感器227最好是定位在或深入到机盒中，以便感知微分压力传感器机盒内的温度。传感器227在线路29上提供一个供分析的模拟输出信号。

取决于P1和P2的压差，空腔9内的薄膜15要么偏向平板19，要么偏向平板21。这一偏转引起可变电容器19和21之感应阻抗或电容值的改变。由测量电路驱动的传感器5输出一个代表可变电容器C1和C2以及图中用CS1和CS2表示的传感器的杂散电容 值的信号。测量电路根据输出信号指示出微分压力。

但是，作用到电容式压力传感器5的机体内压的变化对机盒7强加了应力。例如，随着机体内压增加而增加的应力使传感器的机盒3轻微的膨胀，从而，增加了电容器平板之间的距离X1和X2，于是使可变电容器C1和C2的电容值减少。这将导致电容式压力传感器5输出信号中含有错误。

机体内压对电容式微分压力传感器的影响是非常明显的。在这样的传感器中，机体内压的改变将导致传感器机盒的变形，从而也改变了传感器中心薄膜的压力响应特性。其结果是改变了可变电容器C1和C2的感应阻抗或电容值的比率。因此，在输出信号中就有了错误。作为一个例子，在有些压力传感器中，当仪器的机体内压的量程单位是每平方英寸1000磅（psi）变化时，量程单位内的错误大概为1%的输出变化。类似的情况是，当输出信号较低时会发生零的错误，或者说当机体内压改变时，微分压力为零。为了抵消上述错误，前面提到过的Frick的美国专利申请（编号7-677380）提出了补偿电容器C_L1和C_L2，这两个补偿电容对微分压力传感器的可变电容器执行关系运算，使得通过可变电容器C1和C2的电流减去流过补偿电容器C_L1和C_L2的电流。补偿电容器提供一个感应阻抗或电容，阻抗或电容值的大小应能抵消机体内压变化所引起的零值错误和量程单位内的错误情形下的电路输出。因此，参考图2，在反馈电路的输出端220处的信号已经被校正。对照而言，本发明生成 多个信号，每个信号是微分压力和机体内压的各不相同的函数。针对机体内压造成的错误，利用这里所述的多个信号以数字形式校正了微分压力的指示。因此校正是在微处理机的输出端240处完成的，而不是在微处理机的输入端220处完成。

本发明提供了如图2所示的测量电路来校正机体内压在微分压力信号中造成的错误，其方法是把一个补偿阻抗交替地不断接到微分传感器的可变电容器C1和C2。由此而得到的结果是，在交替不断的连接过程中的每一次，将根据电容器的值由充电计数得到一个独立的信号。这些独立信号与微分压力和机体内压两者之间存在各自不同的数学关系式。这些独立的信号经处理后得出针对机体内压变化而被修正过的微分压力信号。

微分压力传感器中所用的转换函数f_T可以被不示为电容器C1和C2之比，并与微分压力△P直接成正比。转换函数之比可以表示为：

$f_T\mathrm{\propto \; △P\; \propto }\frac{C_1{\mathrm{-C}}_2{\mathrm{-K}}_1}{C_1{\mathrm{+C}}_2{\mathrm{-K}}_2}\mathrm{(等式1）}$

式中K1和K2是机体内压补偿因子项;K1主要补偿零值误差，K2补偿量程误差。此外，

K₁＝C_L1-C_L2（等式2）

K₂＝C_L1+C_L2

式中C_L1和C_L2是不随机体内压改变的固定电容器。在前面提到过的Frick的美国申请中，零值误差的补偿（K1）是靠调整C_L1和 C_L2的电容值来校正的，关系如下：

C_L1≈C_S1+△C（等式3）

C_L2≈C_S2-△C

式中C_S1和C_S2是传感器中的杂散电容值，△C是静态的或机体内压的校正因子。类似地，用类似方法调整量程误差的补偿（K2）;零值误差补偿和量程误差补偿可以同时被调整。本发明倾向于对信号采用数字化处理来修正机体内压，而不用选择补偿电容器的方法来修正机体内压，尽管这两种技术均可使用。

如图1所示，电容式传感器的机盒5相对于中心薄膜15是对称的，因此它把传感器的内腔分割为实质上等压的传感心室11和13。在这样的结构中，杂散电容C_S1和C_S2大致相等。在本发明的优选实例中，电容器C_L1在第一更新周期（或以此重复）与可变电容器C1及与之相关的杂散电容C_S1相连以执行一种运算关系式;电容C_L2则在第二更新周期（重复地）接到可变电容器C₂及与之相关的杂散电容C_S2以执行其运算关系式。上述的转接是在第一和第二更新周期之间交替不断地进行的。在本发明中，宁可使电容器C_L1和C_L2彼此相等并等于单个杂散电容C_S1和C_S2的两倍，以便使杂散电容的补偿关系如下：

C_L1＝C_L2＝C_S1+C_S2（等式4）

补偿电容器C_L1和C_L2的电容大小之所以选成这样，是因为电路的操作要求每一个补偿电容器将是单个杂散电容的两倍，而且因为两个杂散电容将彼此相等。

图2表示采用本发明补偿技术的电荷平衡式反馈发送器的实例。发送器10和电容式微分传感器一起使用，它类似于本申请之外的Frick的美国专利（编号为4791352，1988年12月13日公告，转让给本申请的同一受让人）中所描述的电路，具体地说就是图1所示的电路。本发明的图2所示的电路与上述属于Frick专利的图1所示的电路之间主要差别在于：（1）提供了一个转接开关，它在挨个的更新周期内把电容器C_L1和C_L2交替不断地分别和电容器C₁和C₂连接形成运算关系，（2）包含有微处理机206，它解释积分和比较电路204输出的信号。为了方便起见，包含有电阻R₃和R₄的磁滞电路被放在积分和比较电路204中，其理由在Schulte的美国专利第4，878，012号（1989年10月31日公告，转让给本发明的同一受让人）中已经说明。为了清楚起见，本申请的图2中所示的成份凡是和上面所说的Frick的专利中所表示和说明的成份相同的都赋于和Frick专利中所用的引用号，而只属于本发明的成份则赋于200号以上的引用号。

正如Frick的编号为4791352的美国专利中所述的那样，测量电路10是一个双绞线发送器。电荷包生成器电路200产生大量的或成包的代表可变电容器C₁和C₂电容量的电荷，并把此电荷包供给积分和比较电路14输入端上的节点76。反馈电路202给出充电的电压Ve及定时信号CK1到CK6，这六个定时信号使开关 54、62、68、72及游标电路20和34的开关动作，以便产生电荷包并把电荷包供给节点76，有关这方面的详细说明在Friek的美国专利中已有充分的叙述。本发明的做法是，反馈电路202还在通路218上额外提供一个控制信号CNTL，以便使开关208和210以及通过反相器216的开关212和214按照图3所述的方式工作。

积分和比较电路204包括一个由放大器82和电容器C₁组成的积分器和一个具有磁滞电路的比较器86，磁滞电路包含有两个电阻R₃和R₄，它们的功能在Schulte的美国专利（编号4878012）中已有说明。电荷在节点76处积聚并由积分器集成为一个模拟信号。比较器86把来自积分器的信号和一个参考信号进行比较并给出数字化度量的输出信号，指出在积分器的电容器C₁上积累的电荷，这一点在上述的Frick的美国专利中也已叙述。

输出信号V_S作为反馈电路202的输入。反馈电路202和上述的Frick的美国专利中所示的反馈电路50除一点以外是相同的，即反馈电路202还含有在通路218处提供控制信号CNTL的逻辑电路。图3说明时钟信号CK1到CK6、控制信号CNTL和充电电压V_e的电压大小、来自放大器62的电压输出V₁和来自积分和比较电路204的输出信号V_S的相互关系。

正如Frick的专利中所述，测量电路10形成两段时间间隔，在第一时间间隔内给出初步的或大致的测量，在第二时间间隔内给出精确的测量。在第一时间间隔内，通路30上的信号CK5关闭微调电路20和34中的开关26和40，从而把整个激励电压V_e加到电容式传感器的平板17并通过反相器30加到电容器C_L1和C_L2。在第二时间间隔内，通路31上的信号CK₆关闭微调电路中的开关28和42，从而把激励电压分成通过微调电路20供给电容式传感器5的部分和通过反相器30和微调电路34供给电容器C_L1和C_L2的部分。本发明还产生一连串连续的更新或迭代，在每一次更新或迭代期间都有第一和第二时间间隔的功能，以得到做分压力的粗细量度。在第一更新周期或迭代时，开关208和210断开，212和214闭合。在第二更新周期，开关208和210闭合，212和214断开。

为了和定时信号图3一起来解释如图2所示的电路，假定测量电路处在第一更新或迭代期，此时开关212和214接通，208和210断开;再假定此电路正工作在第一时间间隔，此时CK5信号接通了开关26和40，从而得到粗的量程。来自反馈电路202的在通路70上的信号CK3接通了开关68，从而把电荷包存放到电容器C₂和C_L2。通路18上的一组激励电压变化后，通路56上的信号CK4接通开关54，从而把电荷包存到电容器C1。（由于开关208满足断开条件且开关54和212处于接通状态，电容器C_L1被有效地隔离。）在一连串激励电压V_e再次改变后，通路64和70上的信号CK1和CK3分别接通开关62和68。开关62使来自电容器C1的电荷包耦合到节点76和积分比较电路204。当开关68闭合时，电荷包被存到电容器C2和C_L2。再经过一组激励电压V_e的变化 后，信号CK4使开关54工作把电荷包存到电容器C1，而信号CK2使开关72动作，把来自C2和C_L2的电荷包耦合到积分和比较电路204。

在微调或精确测量的第二时间间隔期，上述电路的操作类似于第一时间间隔期的操作，区别在于激励电压V_e是通过微调电路20和34中的电压除法器得到的，而且电压较低。

积分比较电路204根据节点76来的电荷包提供输出信号V_S，这一点的更详细的描述请参看Frick的美国专利，编号为4791352。

如图3所示，在传感器5的第一迭代或更新测量周期，通路74上的信号CNTL处于第一种状态，它使开关208和210断开，并通过反相器216使开关212和214闭合。因此，在第一更新周期内，电容器C_L1实际上脱离此电路，电容器C₂则接入电路中。到了第二更新周期，信号CNTL处于第二种状态，开关208到214的状态正好倒过来，所以电容器C_L2实际上脱离电路，而电容器C_L1被接入电路。开关208到214交替地把电容器C_L1与C₁相连形成一种运算关系，把电容器C_L2与C₂相连形成又一种运算关系。因此，固定的补偿电容器在相继的更新或迭代期不断地与电容器C1和C2接通以形成操作关系。在各自的第一和第二更新周期内，当各自的固定电容器C_L1或C_L2处在与各自的传感电容器C1或C2操作相关时，各自的固定电容器C_L1或C_L2由于反相器30而向各自的传感电容器C1或C2反向充电。因此，通过固定电容器C_L1和C_L2的电流方向正好分别与通过传感电容器C1和C2及它们的杂散电容的电流方向相反。因此，通过固定电容器C_L1和C_L2的电流与通过传感电容器C1和C2及它们的杂散电容的电流只要代数相加或相减。

如同Frick的美国专利（编号为4791352）中所描述的那样，来自电容器C₁、C₂、C_L1和C_L2的电荷包被耦合到节点76并在那里积聚，以产生来自积分比较电路204的输出信号V_S。输出信号V_S使反馈电路202中的逻辑工作，得到线路64和74上的脉冲数，由此而得到累积在节点76处的电荷包数。计数N1和N2代表了相反极性的电荷包的数目，它是在第一时间间隔内积累的（粗量度），计数N₃和N₄则在第二时间间隔内积累（细量度）。因此，计数N₁是在第一时间间隔内从电容器C₁和C_L1耦合过来的第一极性的电荷包数，计数N₂是在第一时间间隔内从电容器C₂和C_L2耦合过来的与第一极性相反的第二极性的电荷包数，计数N₃则是在第二时间间隔内从电容器C₁和C_L1耦合过来的第一极性的电荷包数，计数N₄是在第二时间间隔内从电容器C₂和C_L2耦合过来的第二极性的电荷包数。节点76处的电荷包的积累方式是倾向于电荷平衡条件。在第一时间间隔内线路64和74上的计数N₁和N₂是传感器5感知的微分压力的函数，线路64和74上的计数N₃和N₄也是传感器5感知的微分压力的函数。微处理器利用线路220上通过的那样，计数N₁和N₂及计数N₃和N₄在每个更新周期或迭代期间可能不同，两者之差将是静态的或机体内压的函数。微处理器206在相继的迭代期间利用N₁和N₂的关系及N₃和N₄的关系来校正微分压力信号，并对读出电路98给出一个代表微分压力的输出。读出电路能够随着需求给出读出和/或控制。

如同Frick在他的美国专利（编号为4791352）中所述的那样，计数N₁和N₂总数在每个第一时间间隔内是个常数，计数N₃和N₄之总和在每个第二时间间隔内是一常数。因此，ㄧN₁+M₂ㄧ_max＝K_I1，ㄧN₃+N₄ㄧ_max＝K_I2，这里的K_I1和K_I2是常数。反馈电路202中的逻辑对N₃+N₄＝K_I2作出反应，以改变线路218上的控制信号CNTL的状态，从而使开关208、210、212和214的状态反转。因此，按照本发明所作的装置在它的第一和第二更新周期之间，根据每个第二时间间隔的结果而变化。至于指出哪个更新周期用电容器C_L1和哪一个利用电容器C_L2这一点对本发明并不重要。重要的只是微处理器206在每个更新周期内处理计数N₁和N₂（和/或N₃和N₄）。微处理器利用本申请中所述的多项式或参照表处理代表每个更新周期的信号。

如上所述，计数N₁、N₂、N₃和N₄在每个更新周期内可以不同，但是相加后的和K_I1和K_I2是常数。这一点在图3中作了举例说明，在此例子中，第一更新周期内N1＝2，N2＝6（K_I1＝8），在第二N3＝2，N4＝0（K_I2＝2），而在第二更新周期内N3＝0，N4＝2（K_I2＝2）。（不难理解，K_I1＝8和K_I2＝2这个例子是为了说明本发明的操作而给出的，实际上，常数K_I1和K_I2可以为几百或几千的数目）。

电容器C_L1和C_L2被交替地与电容器C₁和C₂连接形成运算关系，从而在相继的更新周期或迭代期内，流过传感器电容C1和C2的电流减去了经过电容器C_L1和C_L2的电流。由此而得到的结果是，传感器和固定电容器与电荷包计数之间的关系在各个更新周期内各不相同，其关系对于第一更新周期为

N₁（C₁-C_L）≌N₂C₂，（等式5）

对于第二更新周期为

N₁C₁≌N₂（C₂-C_L），（等式6）

上式中，C_L＝C_L1＝C_L2≈C_S1+C_S2。

为了得到等式5和6，本发明的做法是，在各个更新或迭代期间，把一个固定电容器交替地与传感器的电容C₁和C₂互连以形成操作关系。固定电容器可以是一个，也可以是多个，而且（如果是多个固定电容器）它们的值可以彼此相等也可彼此不等。此外，固定电容器可以在电气上接到电路中和脱离电路，也可用硬导线把固定电容器接入电路中并在不需要时把它在电气上绝缘。固定电容器还可方便地用来补偿传感器中的杂散电容。在图2所示的实例中， 此电路。每个固定电容器的电容值等于补偿杂散电容所需要的杂散电容C_S1或C_S2的两倍（C_S1近似等于C_S2）。

电容器C_L1和C_L2交替地以CNTL信号的脉冲频率与可变电容器C₁和C₂接通成操作关系，这将在传感器测量过程中的每一更新或迭代的第一时间间隔开始时立即改变二进制值。为了得到微分压力信号，至少需要两个更新周期。

未被校正的微分压力△P（指未对机体内压进行校正）是图2所示的电路在第一和第二更新周期内输出平均值的函数，而机体内压则是图2所示电路的输出之差的函数。被校正的微分压力是未被校正的微分压力和机体内压的函数。未被校正的微分压力可以被表示为

$\mathrm{△P\approx }\frac{C_1{\mathrm{-C}}_2}{C_1{\mathrm{+C}}_2{\mathrm{-C}}_L}\mathrm{(等式7）}$

或者

≈ (C₁－C₂)/(C₁＋C₂) ，其中C_L＜＜（C₁+C₂）

包含油性偏转的传感器5显示出心室深度的变化和偏转常数的变化，每种变化都是机体内压P_S造成的，且大致上与P_S成正比。心室深度和偏转常数的变化引起电容器C₁和C₂的电容值的变化。可以证明，在第一和第二更新周期的电路输出之差是机体内压P_S的函数，其关系是

$P_S\propto \frac{C_L}{C_1{\mathrm{+C}}_2{\mathrm{-C}}_L}\mathrm{-A,\; （等式8）}$

或 ∝ (C_L)/(C₁＋C₂) －A，其中C_L＜＜（C₁+C₂）

上式中的A是一常数。

等式8表明，可变电容器值之和与机体内压成反比。由等式8得到的校正值用于修改由等式7得到的微分压力信号的值。

对微分压力信号的最可取的纠正办法是：对两个更新周期内测得的结果在处理机206中进行处理以解出多项式及级数

Q＝a+bx+cx²+……（等式9）

，所采用的方式在Cucci的美国专利中作了描述（该专利号为4598381，1986年7月1日公告，已转让给本发明的同一受让人）。为此目的，通过模数转换器222工作的温度传感器227向微处理器206提供一个温度信号。利用Cucci专利技术，微处理器206所处理的信号是微分压力（等式7）、机体内压（等式8）和利用等式9所示的多项式级数的温度三者的函数，由此而得到的结果是针对温度和机体内压而校正后的微分压力信号。特别是，微处理器206根据等式7和等式8的相互关系，结合数字化的温度信号得出与机体内压和温度变化无关的校正后的微分压力信号。微处理器206向读出部件98提供一个输出，此输出代表了不受机体内压和温度影响的校正后的微分压力信号。

与采用多项式级数计算方法不同的另一种办法是通过微处理机206内存中的参照表来实现误差的校正;参照表是通过实验得到的，即在某个测试或刻度环境下测量各种不同的机体内压和工作温度情况下的输出关系，并把测量结果存入微处理器206的内存中的参照表中。按照上述思想，根据等式5和6所确定的关系得出有关信号并与参照表中的诸项进行比较，从中选出校正后的微分压力信号的输出。

不难理解，虽然电容器C_L1和C_L2被说明为每个都等于杂散电容C_S1或C_S2的两倍，其实，此电容器可以为任何值且不必相等。不过最好是所选择的电容器能够以Schulte的美国专利（编号为4878012）中所述的方法来补偿杂散电容，而且所述的电容器不应当过大，以致反过来破坏了等式7和8的近似值关系。作为例子，有时候或许希望有不相同的电容器C_L1和C_L2来补偿不对称的或畸形传感器中的杂散电容，或者用Frick的美国专利申请（编号为7-667380）中所讲的方法在本文所述的校正之前来补偿机体内压的影响。

虽然在图2中只表示出两个电容器C_L1和C_L2，但是实际上可以用任意个数的电容器，例如对于采用不相等电容器的情况可以用三个或者四个电容器，其中两个用来补偿杂散电容，另外一个或两个用来补偿不对称的传感器或用来补偿机体内压。使用一个电容器使它交替地与两个可变电容器C₁和C₂之一接通而形成操作关系，这样做或许是方便的。至于电容器的实际转接手段可用任何一种方便的方式来实现，只要保证那些电容器被正确地充电和隔离，不致于影响其操作或妨碍任何一个传感器电容的补偿。

需要的话，可以把电容器C_L1和C_L2的温度系数选成与传感器电容器C₁和C₂中的偏转油的温度系数相同。如果电容器C_L1和C_L2被选成这样，最好把它们安装到传感器5的盒内。由此而得到的结果是，这些电容器的温度改变特性将与强加给传感器的电容器C₁和C₂的温度特性相同，从而可用于补偿温度的改变及杂散电容的影响。

图2所示的电路也可用于校正受到温度变化影响的微分压力信号。在两个更新周期或间隔内提供的两个V_S输出信号各自不同地代表微分压力、机体内压和温度。因此，来自图2所示的电容式传感器的信号的变化与温度变化之间的关系可以被表示为函数1（C₁+C₂）。根据实验来调整等式9中的常数，就可针对温度的变化而不是机体内压来修正微分压力信号。因此，微处理器206象上述一样处理计数N1和N2，所不同的是多项式的常数要被调整成校正成温度的变化而不是机体内压的变化。作为另一种办法，也可用上述的参照表来实现温度的校正。

本发明也可用于压敏电阻式传感器装置中，用以感知微分压力并校正因机体内压而造成的误差，或者用以感知机体内压并校正因温度造成的误差。图4是一个典型传感器构造的方框电路图，它包含一个压敏电桥，此电桥有四个附着在硅表面上的压敏电阻元件R₅、R₆、R₇和R₈。在一个典型的结构中，电桥150作为微分压力传感电桥，它对两个压力P₁和P₂之差作出反应。电桥对边上的压敏元件R₅和R₆对一种感觉（例如为正）的微分压力作出反应，而电桥

另一对边上的压敏电阻元件R₇和R₈对反向感知（例如为负）的微分压力作出反应。电桥154由直流电压V_e供电，电压的一端接到压敏电阻R₅和R₈中间的结点上，另一端接到压敏电阻元件R₆和R₇之间的结点上。压敏电阻元件随着微分压力而改变电桥的平衡，从而对模数转换器152输出一个代表微分压力的信号。转换器152的输出被送往微处理器（图4中没有画出）。

作为静态或机体内压感传装置的电桥150对机体内压的反应方式是这样的：相对的两个压敏电阻元件R₅的R₆随着机体内压以一种感知方式变化（例如变正），而另一对压敏电阻R₇和R₈则对机体内压作出相反知觉的反应（例如变负）。由于在电桥150的压敏电阻元件上反应出的机体压力的变化改变了电桥的平衡，从而向模数转换器152输出一个代表机体内压的信号。转换器152的输出被送到微处理器。

在某些情况下，用两个电桥150更为常见，一个用以感知机体内压，另一个接上述方式感知微分压力。无论那种情况，通常还用一个直接与受压液体接触的热敏电阻R_T，以便给出一个代表温度的信号，此信号经过模数转换器也送到微处理器。因此，模数转换器154的输出是作用于电桥150的液体温度的函数。该电桥或多个电桥的输出和热敏电阻R_T的输出是微分压力和/或机体内压及温度之函数。因此，针对机体内压和温度的变化，可以校正微分压力的量度，并可针对温度的变化，校正机体内压的测量。

然而，现有的传感装置对每个传感器都要有一个专有的模数转换器，所以校正机体内压的电桥需要两个转换器，而校正微分压力的电桥则要三个转换器，每个转换器把传感器接到处理机的输入端。为了省掉要多个转换器的要求，可以用多路转接技术把各个传感器的输出交替地与同一个转换器互连，但是多路转接有一个缺点：即把多个传感器的信息信号交替地接到同一转换器会导致信息的丢失。

本发明允许用单个模数转换器以最小的信息损失和最小的混淆错误输出代表两个变量的信号，这两个变量可以是微分压力和机体内压或者是机体内压和温度。实现这些功能的电路示于图5，其中给出了典型的压敏电阻传感电桥160，它有四个压敏电阻元件R₉、R₁₀、R₁₁和R₁₂，并由直流电压V_e供电。电桥160的输出作为模数转换器230的输入，后者接着把它的输出送到微处理器206（它可以具有象图2所示的微处理器一样的特性）。转换器230还向反馈电路232提供一个输出，以便在线路210上产生一个控制信号CNTL（见图3）。线路210上的控制信号给出第一和第二更新周期脉冲（此脉冲在图3中表示成CNTL信号），以便使开关234工作并使通过反相器236的开关238工作。固定电阻R₁₃的一端被接在电桥160的电阻R₁₀和R₁₁的衔接点，另一端被接在开关234和238之衔接点，于是在第一更新周期内，开关234闭合，238断开，电阻R₁₃与压敏电阻元件R₁₀形成并联关系。在第二更新周期，开 关234断开，238接通，电阻R₁₃与压敏电阻元件R₁₁形成并联关系。

如果把电桥160用于测量微分压力，那么此电桥输出的信号随着微分压力和机体内压而变化。电阻R₁₃是一个固定的电阻，其温度系数最好是（但不必须）等于压敏电阻元件R₉-R₁₂的温度系数。在第一周期内，固定电阻R₁₃与压敏电阻元件R₁₀处于并联关系，所以模数转换器230提供第一输出信号，它是微分压力和机体内压的函数。在第二周期内，当电阻R₁₃与压敏电阻元件R₁₁处于并联关系时，转换器230提供第二输出信号，此信号也是微分压力和机体内压的函数。但是第二输出信号不同于第一输出信号。微处理机206通过等式9的多项式级数或引用一张对照表来处理第一和第二输出信号，其结果就象前面说过的那样，对读出设备或显示设备98给出校正后的微分压力输出信号，这里所说的校正是针对机体内压的变化所引起的误差而言的。

如果用电桥160来测量机体内压，那么电阻R₁₃的选择应考虑使其温度系数与压敏电阻元件R₉-R₁₂的温度系数不同，且最好是等于零。其结果是，转换器230在第一和第二更新周期内的输出是机体内压和温度两者的两个不同的函数。象测量微分压力时的情形那样，微处理器206利用等式9的多项式级数或对照表象前面叙述过的那样处理输出信号，从而对读出设备98输出校正后的机体内压的量度或绝对压力的输出显示。

图5所示的例子中的桥式传感器的结构既可用作微分压力传感器，又可作为机体内压传感器，这取决于该电路是工作在测量微分压力情况下还是工作在测量机体内压情况下。固定电阻R₁₃的温度系数的选择对于代表电桥输出信号的变化效果来说是至关重要的。在测量微分压力时，输出信号应当是微分压力和机体内压的函数。在这种情形下，最好（但不必须）使固定电阻R₁₃的温度系数与压敏电阻元件R₉-R₁₂的温度系数实际相同，以便补偿温度引起的变化，并借助这种补偿办法尽可能降低温度的变化对传感器的影响。

就测量机体内压而言，输出信号应当是机体内压的温度的函数，所以使固定电阻R₁₃不受传感器中温度改变的影响是十分重要的。因此，在测量机体内压的情况下，固定电阻R₁₃的温度系数应当不同于压敏电阻元件R₉-R₁₂的温度系数，以保证其输出信号是该传感器的机体内压和温度的函数。固定电阻R₁\-3的温度系数最好为零。

如果是测量机体内压，其输出信号应该是机体内压和温度的函数，所以保证固定电阻R₁₃不受传感器温度变化的影响是至关重要的。因此，在测量机体内压时，固定电阻R₁₃的温度系数应当不同于压敏电阻元件R₉-R₁₂的温度系数，以保证其输出信号是传感器的机体内压和温度的函数。固定电阻R₁₃的温度系数最好是零。

压敏电桥160可以是只有两个压敏电阻元件组成的半桥。因 而，测量微分压力的半桥中的每个压敏电阻元件都对监测到的压力之一作出响应，并给出代表它们两者之差的输出信号。测量机体内压的半桥中的两个压敏电阻元件每一个都通过一个压敏电阻元件的阻抗变正、另一个压敏电阻元件的阻抗变负而对机体内压作出反应。

本发明通过一个模数转换器以最小的信息丢失和最小的混淆错误提供表示两个变量的输出信号，例如微分压力和机体内压或者是机体内压和温度。本发明的一种形式是采用可变的传感器的电容器之工作方式，以得出多个不同的关系式，它们的平均值是微分压力的函数，它们之差是机体内压的函数和。本发明的另一种形式是采用压敏电桥工作方式，以得到反映两种关系的信号。用这两种关系得到校正后的信号，此信号给出微分压力和机体内压的精确度量。

尽管本发明是参考优选的实例加以描述的，但是熟悉本技术的人将会明白，对所述的实例在形式上和细节上作出某些改变并不脱离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1、测量压力的装置，包括：

·一个压力传感器，此传感器至少包括第一和第二两个传感装置，每个传感装置有一个阻抗值，这个阻抗值随着压力和予定的环境条件而变化；

·带有一个阻抗值的阻抗装置，这个阻抗值随着予定的环境条件的改变而改变；

·连接装置，它把阻抗装置不断地交替与第一和第二传感装置互联形成操作关系，在阻抗装置与第一和第二传感装置各自交替互联期间，传感器协同阻抗装置一起提供第一和第二信号，这两上信号是压力和予定环境条件的函数；

·校正装置，它对上述的第一和第二信号作出响应，以便校正因予定环境条件的变化而引起的压力指示的误差。

2、如权利要求1所述的装置，其中的压力传感器测量微分压力，第一和第二信号是微分压力和机体内压的函数，阻抗装置的阻抗值实质上不随机体内压的改变而改变，校正机制修正受到机体内压变化影响的微分压力的值。

3、如权利要求2所述的装置，其中所述的压力传感器是一个电容式压力传感器，第一压力传感装置的电容值为C₁，第二压力传感装置的电容值为C₂，C₁和C₂随压力而变化，所述的阻抗装置是电容装置，它的电容值为C_L，所说的校正装置根据C_L（C₁+C₂）来校正微分压力的值。

4、如权利要求3所述的装置，其中所说的电容装置包括第一和第二两个电容器，所说的连接装置交替地把所说的第一电容器接到所说的第一压力传感装置，把所说的第二电容器接到所说的第二压力传感装置。

5、如权利要求2所述的装置，其中第一压力传感装置是第一个压敏电阻式压力传感装置，它所具有的电阻值以第一种方式随着微分压力而变化，第二压力传感装置是第二个压敏电阻式压力传感装置，它所具有的电阻值以第二种方式随着微分压力而变化，第一和第二种方式彼此不同。

6、如权利要求1所述的装置，其中的压力传感器测量微分压力，第一和第二信号是微分压力和温度的函数，阻抗装置的阻抗值实际上随着温度的变化而改变，校正装置针对温度的变化来修正微分压力的值。

7、如权利要求6所述的装置，其中所述的压力传感器是一电容式压力传感器，并且第一压力传感装置有一电容值C₁，第二压力传感装置有一电容值C₂，C₁和C₂随着压力而充化，所述的阻抗装置包含有电容值为C_L的电容装置，所述的校正装置按照C_L（C₁+C₂）来修正微分压力的值。

8、如权利要求6所述的装置，其中第一压力传感装置为第一压敏电阻式的压力传感装置，它的电阻值随着压力以第一种方式变化，第二压力传感装置为第二压敏电阻式压力传感装置，它的电阻值随着压力以第二种方式改变，上述的第一和第二两种改变方式是不同的，第一和第二压敏电阻式压力传感装置的第一个都有已知的温度系数，所述的阻抗装置包含一个电阻，其温度系数不同于第一和第二压敏电阻式压力传感装置的温度系数。

9、如权利要求1所述的装置，其中的压力传感器用来测量机体内压，第一和第二传感装置的阻抗值以不同的方式随着机体内压不同而变化并随着温度而变化，第一和第二信号是机体内压和温度的函数，所述的阻抗装置的阻抗值实际上不随温度的变化而改变，校正装置用来校正因温度的变化而带来的机体内压值的变化。

10、权利要求1所述的装置，其中所述的阻抗装置包括第一和第二阻抗，所述的连接装置交替地把第一阻抗与第一传感装置相连，把第二阻抗与第二传感装置相连。

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