CN109282938A - 一种智能气体压力传感器及其零点校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能气体压力传感器及其零点校准方法，压力传感器包括电路板、传感器膜片、压力检测气路和通气气路，所述传感器膜片设置在电路板上，所述通气气路和压力检测气路分别作用于传感器膜片的正背二面，所述压力检测气路上设有三通阀，靠近压力检测气路进气端的为三通阀的第一端，远离压力检测气路进气端的为三通阀的第二端，三通阀的第三端与通气气路连接，所述三通阀与电路板电连接，具有二个工作状态，一是关闭三通阀的第一端，并使第二端与第三端连通，二是关闭三通阀的第三端，并使第一端与第二端连通。本发明增加了三通阀，实现了气体压力传感器自动校零，从而避免零点误差累计，解决气体压力传感器零点漂移的问题。

Description

一种智能气体压力传感器及其零点校准方法

技术领域

本发明涉及计量测试技术领域，尤其涉及一种气体压力传感器及其零点校准方法。

背景技术

气体压力传感器在工业生产中有着广泛的应用，比如管道压力、风速检测、无人机系统等等。由于受到环境复杂多变的影响，这些领域中所使用的压力传感器均需要长期和不间断地工作，压力传感器的长期稳定性受到很大的制约。压力传感器产品的核心部件为传感器膜片，是一种半导体压力膜片，通过把需检测的压力通过载体传递到半导体压力膜片上，根据半导体压力膜片受到压力而产生电阻变化，再通过电子电路工作实现压力变化转化为电子信号的输出。压力膜片在工作环境受到的影响因素很多，在应用场合中主要有温度漂移和压力传感器自身的零点漂移等考核指标。温度漂移是指随着环境温度变化时压力传感器参数的变化，会造成压力传感器工作的不稳定。零点漂移是指由于温度或其他原因会导致压力传感器在检测的基准零点发生变化。

由于所处环境的温度变化以及湿度变化，尤其是长时间条件下，压力传感器在密闭环境零点漂移的积累，使得压力传感器的测量精度受到严重影响，不可靠或不稳定的测量数据会误导系统的判断，造成系统调控失败。而安装在一些特殊位置的压力传感器，由于位置特殊，不可能定时更换，这样如何解决零点漂移就成为了一件棘手的事情。

传感器产品一般情况下在降低温度漂移和零点漂移时主要有两种办法，即硬件冗余法与软件补偿法，硬件冗余法有手动清零法，压力传感器工作一定时间后，由人工手动清零，这种方法可行，但是比较麻烦；也有增加压力传感器的个数的方法，使用多个相同类型的压力传感器同时进行测量，以提高压力信号的测量精度，这种办法在消费类产品中由于成本要求不可取；另外一种办法就是软件补偿法，通过大量的、长时间的测试来检验压力传感器的变化特征，进而计算出传感器补偿系数，但是由于压力传感器个体的工艺差异，补偿效果也各有不一样，并不能有效解决零点漂移的问题，这些方式在满足压力传感器性能的同时，也带来了成本的增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能气体压力传感器及其零点校准方法，尤其是在大气环境下气体压力传感器的智能校准方法，可有效解决气体压力传感器在使用过程中零点漂移造成的测量不准确的问题。

本发明提供的技术方案为：一种智能气体压力传感器，包括电路板、传感器膜片、压力检测气路和通气气路，所述传感器膜片设置在电路板上，所述通气气路和压力检测气路分别作用于传感器膜片的正背二面，所述压力检测气路上设有三通阀，靠近压力检测气路进气端的为三通阀的第一端，远离压力检测气路进气端的为三通阀的第二端，三通阀的第三端与通气气路连接，所述三通阀与电路板电连接，具有二个工作状态，一是关闭第一端，并使第二端与第三端连通，二是关闭第三端，并使第一端与第二端连通。

其中，所述三通阀为电磁三通阀、电动三通阀、微型继电器三通阀或微动开关三通阀。

其中，所述气体压力传感器包括上盖和下盖，所述电路板横向设置在上盖和下盖之间，所述上盖内设有隔板，把电路板和上盖之间的空间分隔成第一气室和第二气室，第一气室上设有第一气嘴，第二气室上设有第二气嘴，所述下盖内设有第一气路、第二气路和第三气室，所述电路板上设有第一通气孔、第二通气孔和第三通气孔，所述第一气室通过第一通气孔与第一气路连通，所述第二气室通过第二通气孔与第二气路连通，所述第一气室通过第三通气孔与第三气室连通，所述传感器膜片设置在第三通气孔处，所述下盖上设有第四通气孔和第五通气孔，所述第一气路通过第四通气孔与第三气室连通，所述第二气路通过第五通气孔与第三气室连通，所述三通阀为电磁三通阀，包括电磁线圈和密封活塞，所述电路板通过电磁线圈来控制密封活塞移动，并使密封活塞封闭第四通气孔或第五通气孔，所述第一气嘴、第一气室、第一通气孔、第一气路和第四通气孔形成通气气路，所述第二气嘴、第二气室、第二通气孔、第二气路、第五通气孔和第三气室形成压力检测气路。

其中，所述第一气嘴用于与大气连通，第二气嘴用于与要检测的气路连通。

其中，所述电路板上设有单片机和三通阀驱动电路，所述单片机与三通阀驱动电路以及传感器膜片上的电路均电连接。

其中，所述电路板上还设有重置电路，所述重置电路与单片机的RESET 引脚电连接。

本发明提供的另一种技术方案为：根据上面所述智能气体压力传感器的零点校准方法，包括步骤：

S1：使气体压力传感器处于非工作状态；

S2：电路板驱动三通阀关闭第一端，并使第二端与第三端连通，此时传感器膜片的正背二面压力相同；

S4：进行零点校正；

S5：电路板驱动三通阀关闭第三端，并使第一端与第二端连通，此时传感器膜片的正背二面压力不同；

S6：使气体压力传感器处于工作状态，检测压力检测气路上的压力。

其中，在步骤 S2中，所述三通阀为电磁三通阀，包括电磁线圈和密封活塞，电路板通过电磁线圈使密封活塞移动，打开第四通气孔，封闭第五通气孔。

其中，在步骤S5中，电路板通过电磁线圈使密封活塞移动，封闭第四通气孔，打开第五通气孔。

本发明的有益效果为：在气体压力传感器出厂前，都会进行校准，使用高精度的压力校准设备对气体压力传感器进行标定，并构建压力变化规律的特征值方程，得出压力传感器正常工作的线性区间。本发明气体压力传感器增加了三通阀，实现了气体压力传感器自动校零，从而避免零点误差累计，解决气体压力传感器零点漂移的问题，具体原理如下：自动校零的时机是在气体压力传感器正常上电开始工作时或者定时进行，首先电路板先通过三通阀关闭第一端，并使第二端与第三端连通，此时传感器膜片的正背二面压力完全相同，检测不到压力差，即参考零点，气体压力传感器调用校准数据对压力清零，消除零点漂移带来的误差；然后电路板通过三通阀关闭第三端，并使第一端与第二端连通，此时传感器膜片的正背二面压力不同，开始正常对压力检测气路上的气压进行压力检测。本发明可以智能自动校零，在每次开启使用时，自动校零一次，若气体压力传感器是长时间工作的，也可以设定为定时校零，有效地解决气体力传感器在长时间密闭环境的零点漂移问题。

附图说明

图1是本发明所述智能气体压力传感器实施例一校零时的结构原理图；

图2是本发明所述智能气体压力传感器实施例一正常检测时的结构原理图；

图3是本发明所述智能气体压力传感器实施例一的电路图；

图4是本发明所述智能气体压力传感器实施例二的整体外观示意图；

图5是本发明所述智能气体压力传感器实施例二校零时的剖面结构示意图；

图6是本发明所述智能气体压力传感器实施例二正常检测时的剖面结构示意图。

其中，1、电路板；11、第一通气孔；12、第二通气孔；13、第三通气孔；14、单片机；15、三通阀驱动电路；16、重置电路；2、传感器膜片；21、传感器膜片电路；3、压力检测气路；4、通气气路；5、三通阀；51、电磁线圈；52、密封活塞；53、第一端；54、第二端；55、第三端；6、上盖；61、隔板；62、第一气室；63、第二气室；64、第一气嘴；65、第二气嘴；7、下盖；71、第一气路；72、第二气路；73、第三气室；74、第四通气孔；75、第五通气孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述智能气压压力传感器旨在解决一定应用环境下降低压力传感器温度漂移和零点漂移带来的测量问题，以达到提高压力传感器产品测量的准确性和降低压力传感器产品的成本。在压力传感器间歇式工作下，不采用电路补偿和降低对工艺过程控制的依赖，使用电磁阀控制气路的改变来实现零点捕捉，降低温度漂移和零点漂移对压力传感器测量精度的影响，达到提高压力传感器测量精度和降低压力传感器产品成本的目的。

作为本发明所述智能气体压力传感器的实施例一，如图1至图3所示，包括电路板1、传感器膜片2、压力检测气路3和通气气路4，所述传感器膜片2设置在电路板1上，所述通气气路4和压力检测气路3分别作用于传感器膜片2的正背二面，所述压力检测气路3上设有三通阀5，靠近压力检测气路3进气端的为三通阀的第一端53，远离压力检测气路进气端的为三通阀的第二端54，三通阀的第三端55与通气气路4连接，所述三通阀5与电路板1电连接，具有二个工作状态，一是关闭第一端53，并使第二端54与第三端55连通，二是关闭第三端55，并使第一端53与第二端54连通。

在本实施例中，所述三通阀5可以为电磁三通阀、电动三通阀、微型继电器三通阀或微动开关三通阀。只要能实现三通功能的阀门，均为本专利权利的保护范围。

本实施例中所述气体压力传感器的零点校准方法，包括步骤：

S1：使气体压力传感器处于非工作状态；

S2：电路板1驱动三通阀5关闭第一端53，并使第二端54与第三端55连通，此时传感器膜片2的正背二面压力相同；

S4：进行零点校正，气体压力传感器电路记忆此温度时刻的零点参数；

S5：电路板1驱动三通阀5关闭第三端55，并使第一端53与第二端54连通，此时传感器膜片2的正背二面压力不同；

S6：使气体压力传感器处于工作状态，检测压力检测气路上的压力。压力传感器根据基于前面校准零点工作所记忆的此温度时刻的传感器零点参数，开始测试此温度时刻的压力作用下压力传感器的输出信号。因为校准时的温度与压力测试时的温度变化较小，可以忽略不计。

在本实施例中，所述电路板1上设有单片机14和三通阀驱动电路15，所述单片机14与三通阀驱动电路15以及传感器膜片电路21电连接。传感器膜片2是压力感应器件，单片机14是校准及智能控制器件，三通阀6是智能控制执行器件。

在本实施例中，所述电路板1上还设有重置电路16，所述重置电路16与单片机14的RESET 引脚电连接。可用于主动手动零点校正。

本发明气体压力传感器增加了三通阀5，实现了气体压力传感器自动校零，从而避免零点误差累计，解决气体压力传感器零点漂移的问题，具体原理如下：自动校零的时机是在气体压力传感器正常上电开始工作时或者定时进行，首先电路板1先通过三通阀5关闭第一端53，并使第二端54与第三端55连通，此时传感器膜片2的正背二面压力完全相同，检测不到压力差，即参考零点，气体压力传感器调用校准数据对压力清零，消除零点漂移带来的误差；然后电路板1通过三通阀5关闭第三端55，并使第一端53与第二端54连通，此时传感器膜片2的正背二面压力不同，开始正常对压力检测气路上的气压进行压力检测。本发明可以智能自动校零，在每次开启使用时，自动校零一次，若气体压力传感器是长时间工作的，也可以设定为定时校零，有效地解决气体力传感器在长时间密闭环境的零点漂移问题。

本发明能及时清除零点漂移累计线性误差，与人工清零和硬件冗余方法相比成本极低；本方法能够不断地自动清零，与压力传感器的软件补偿法相比更加便捷，校准后压力传感器的测量精度得到明显提高；应用本发明所提供的校准方法，压力传感器的校准过程实现自主化，在无人参与的情况下开机或定期对压力传感器的性能进行校准，这对于人工校准所无法涉及的场合具有重要意义。

作为本发明所述智能气体压力传感器的实施例二，如图4至图6所示，与实施例一相比结构更具体化，所述气体压力传感器包括上盖6和下盖7，所述电路板1横向设置在上盖6和下盖7之间，所述上盖6内设有隔板61，把电路板1和上盖6之间的空间分隔成第一气室62和第二气室63，第一气室62上设有第一气嘴64，第二气室63上设有第二气嘴65，所述下盖7内设有第一气路71、第二气路72和第三气室73，所述电路板1上设有第一通气孔11、第二通气孔12和第三通气孔13，所述第一气室62通过第一通气孔11与第一气路71连通，所述第二气室63通过第二通气孔12与第二气路72连通，所述第一气室62通过第三通气孔13与第三气室73连通，所述传感器膜片2设置在第三通气孔13处，所述下盖7上设有第四通气孔74和第五通气孔75，所述第一气路71通过第四通气孔74与第三气室73连通，所述第二气路72通过第五通气孔75与第三气室73连通，所述三通阀5为电磁三通阀，包括电磁线圈51和密封活塞52，所述电路板1通过电磁线圈51来控制密封活塞52移动，并使密封活塞52封闭第四通气孔74或第五通气孔75，所述第一气嘴64、第一气室62、第一通气孔11、第一气路71和第四通气孔74形成通气气路，所述第二气嘴65、第二气室63、第二通气孔12、第二气路72、第五通气孔75和第三气室73形成压力检测气路。

在本实施例中，所述第一气嘴64用于与大气连通，第二气嘴65用于与要检测的气路连通。第五通气孔75外侧相当于三通阀的第一端，内侧相当于三通阀的第二端，第四通气孔74的外侧相当于三通阀的第三端。

本实施例所述气体压力传感器的零点校准方法，包括步骤：

S1：使气体压力传感器处于非工作状态；

S2：所述三通阀5为电磁三通阀，包括电磁线圈51和密封活塞52，电路板1通过电磁线圈51使密封活塞52移动，打开第四通气孔74，封闭第五通气孔75。此时传感器膜片2的正背二面压力相同；

S4：进行零点校正，气体压力传感器电路记忆此温度时刻的零点参数；

S5：电路板1通过电磁线圈51使密封活塞52移动，封闭第四通气孔74，打开第五通气孔75，此时传感器膜片2的正背二面压力不同；

S6：使气体压力传感器处于工作状态，检测压力检测气路上的压力。

本实施例与实施例一的有益效果是一致的，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种智能气体压力传感器，包括电路板、传感器膜片、压力检测气路和通气气路，所述传感器膜片设置在电路板上，所述通气气路和压力检测气路分别作用于传感器膜片的正背二面，其特征在于，所述压力检测气路上设有三通阀，靠近压力检测气路进气端的为三通阀的第一端，远离压力检测气路进气端的为三通阀的第二端，三通阀的第三端与通气气路连接，所述三通阀与电路板电连接，具有二个工作状态，一是关闭第一端，并使第二端与第三端连通，二是关闭第三端，并使第一端与第二端连通。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述三通阀为电磁三通阀、电动三通阀、微型继电器三通阀或微动开关三通阀。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述气体压力传感器包括上盖和下盖，所述电路板横向设置在上盖和下盖之间，所述上盖内设有隔板，把电路板和上盖之间的空间分隔成第一气室和第二气室，第一气室上设有第一气嘴，第二气室上设有第二气嘴，所述下盖内设有第一气路、第二气路和第三气室，所述电路板上设有第一通气孔、第二通气孔和第三通气孔，所述第一气室通过第一通气孔与第一气路连通，所述第二气室通过第二通气孔与第二气路连通，所述第一气室通过第三通气孔与第三气室连通，所述传感器膜片设置在第三通气孔处，所述下盖上设有第四通气孔和第五通气孔，所述第一气路通过第四通气孔与第三气室连通，所述第二气路通过第五通气孔与第三气室连通，所述三通阀为电磁三通阀，包括电磁线圈和密封活塞，所述电路板通过电磁线圈来控制密封活塞移动，并使密封活塞封闭第四通气孔或第五通气孔，所述第一气嘴、第一气室、第一通气孔、第一气路和第四通气孔形成通气气路，所述第二气嘴、第二气室、第二通气孔、第二气路、第五通气孔和第三气室形成压力检测气路。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述第一气嘴用于与大气连通，第二气嘴用于与要检测的气路连通。

5.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述电路板上设有单片机和三通阀驱动电路，所述单片机与三通阀驱动电路以及传感器膜片上的电路均电连接。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述电路板上还设有重置电路，所述重置电路与单片机的RESET 引脚电连接。

7.根据权利要求1至6任一项所述智能气体压力传感器的零点校准方法，其特征在于，包括步骤：

S1：使气体压力传感器处于非工作状态；

S2：电路板驱动三通阀关闭第一端，并使第二端与第三端连通，此时传感器膜片的正背二面压力相同；

S4：进行零点校正；

S5：电路板驱动三通阀关闭第三端，并使第一端与第二端连通，此时传感器膜片的正背二面压力不同；

S6：使气体压力传感器处于工作状态，检测压力检测气路上的压力。

8.根据权利要求7所述的零点校准方法，其特征在于，在步骤 S2中，所述三通阀为电磁三通阀，包括电磁线圈和密封活塞，电路板通过电磁线圈使密封活塞移动，打开第四通气孔，封闭第五通气孔。

9.根据权利要求8所述的零点校准方法，其特征在于，在步骤S5中，电路板通过电磁线圈使密封活塞移动，封闭第四通气孔，打开第五通气孔。