CN109323797B - 硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法，该硅谐振压力传感器自动标定系统，包括：温箱、压力控制器、信号采集电路板以及计算机；温箱用于改变硅谐振压力传感器标定时所处环境的温度；压力控制器用于改变硅谐振压力传感器标定时所受的压力；信号采集电路板用于将硅谐振压力传感器输出的频率信号做放大、滤波和计数处理；计算机用于控制所述温箱和所述压力控制器，使其满足标定的温度和压力条件，并读取所述信号采集电路板输出的谐振频率数据；本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法通过设置温箱、压力控制器以及计算机，从而实现对硅谐振压力传感器准确、自动化以及高效地标定。

Description

硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法

技术领域

本公开涉及压力传感器自动标定系统技术领域，尤其涉及一种硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法。

背景技术

硅谐振压力传感器是以谐振器作为敏感元件，根据谐振器的谐振频率随待检测压力变化而变化的规律来测量压力大小的一种装置。压力信号输入，频率信号输出，同时传感器对温度敏感。因此，在标定过程中，需要控制标定的温度，最后调用温度自补偿算法对温度、压力以及谐振器频率进行多项式拟合，求解相关系数，确定输出的频率信号与输入的压力信号的对应关系。

基于微机械加工的硅谐振压力传感器输出信号弱(μV级)、噪声大、对温度非常敏感，在标定过程中要准确控制温度和压力的大小，对于高精度硅谐振压力传感器更是如此，在标定中需要较多的温度点和压力点的数据支持。传统的手动标定存在标定结果误差大、标定过程繁琐、标定效率低等问题，耗时人力成本比较高，且不利于批量化生产。

因此，如何研发出一种工作效率高、自动化程度高、标定结果准确的高精度硅谐振压力传感器自动化标定系统成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

公开内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法，以缓解现有技术中的标定方法的标定结果误差大、标定过程繁琐、标定效率低的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种硅谐振压力传感器自动标定系统，包括：温箱，用于改变硅谐振压力传感器标定时所处环境的温度；压力控制器，其与所述硅谐振压力传感器连接，用于改变硅谐振压力传感器标定时所受的压力；信号采集电路板，其与所述硅谐振压力传感器连接，用于将硅谐振压力传感器输出的频率信号做放大、滤波和计数处理；以及计算机，其分别与所述温箱、所述压力控制器以及所述信号采集电路板连接，用于控制所述温箱和所述压力控制器，使其满足标定的温度和压力条件，并读取所述信号采集电路板输出的谐振频率数据；其中，所述计算机对汇总数据中的温度、压力以及谐振器频率进行多项式拟合，求解相关系数，确定输出的谐振频率信号与输入的压力信号的对应关系。

在本公开的一些实施例中，所述硅谐振压力传感器自动标定系统还包括：多通道气路板，设置于所述温箱内，包括：进气口，其与所述压力控制器的出气口通过气管连接；以及出气口，与所述硅谐振压力传感器连接；其中，所述出气口包括多个，多个所述出气口分别与一硅谐振压力传感器连接。

在本公开的一些实施例中，所述多通道气路板的材质为铝。

在本公开的一些实施例中，其中：所述温箱为ESPEC环境试验箱SU-262；所述压力控制器为Fluke压力控制器PPC4；所述电源为KEITHLEY2231A-30-3型多通道直流电源。

在本公开的一些实施例中，所述信号采集电路板包括：stm32单片机；以及8选1数据选择器，分别与所述stm32单片机和所述硅谐振压力传感器连接，用于切换多路压力传感器输出的频率信号。

在本公开的一些实施例中，该硅谐振压力传感器自动标定系统还包括：电源，与所述信号采集电路板通过导线连接，用于为所述信号采集电路板供电。

在本公开的一些实施例中，其中：所述温箱和所述计算机的通信方式为TCP/IP；所述压力控制器和所述计算机的通信方式为串口通信RS232；所述信号采集电路板和所述计算机的通信方式为I2C通信。

在本公开的一些实施例中，其中：所述温箱和所述计算机通过网线连接；所述压力控制器和所述计算机通过RS232转USB数据线连接；所述信号采集电路板和所述计算机通过I2C转USB数据线连接；所述压力传感器和所述信号采集电路板通过屏蔽线缆连接。

根据本公开的另一个方面，还提供一种硅谐振压力传感器自动标定方法，使用本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统进行标定，包括：步骤A：根据设定的待标定的温度点和压力点控制温箱和压力控制器，使其满足标定的温度和压力条件；步骤B：待温箱和压力控制器满足标定条件后，开始采集温度、压力以及硅谐振压力传感器输出的频率信号；步骤C：重复步骤A和步骤B，直至采集多组对应的温度、压力以及频率信号；步骤D：对多组温度、压力以及频率信号进行多项式拟合，确定输出的频率信号与输入的压力信号的对应关系。

在本公开的一些实施例中，所述步骤A包括：步骤A1：控制温箱温度稳定在设定值，直至硅谐振压力传感器的温度达到设定值；步骤A2：控制压力控制器的输出压力，使其输出的压力信号连续十次误差均在0.1％kPa内。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法具有以下有益效果：

本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法通过设置温箱以及压力控制器，从而实现对压力传感器的准确标定；通过计算机控制其二者协调工作，并将信号采集电路采集的数据与温箱的温度数据以及压力控制器的压力数据汇总处理，从而实现标定的自动化；同时通过多通道气路板实现对多个传感器同时标定，使工作效率显著提高。

附图说明

图1为本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统的硬件平台的整体设计框图。

图2为本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统的结构示意图。

图3为本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统中多通道气路板的立体结构示意图。

图4为本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定方法的步骤流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-温箱；2-压力控制器；3-信号采集电路板；4-计算机；5-多通道气路板；51-进气口；52-出气口；6-网线；7-RS232转USB数据线；8-屏蔽线缆；9-I2C转USB数据线；10-电源；11-导线；12-气管。

具体实施方式

本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法通过设置温箱、压力控制器以及计算机，从而实现对硅谐振压力传感器准确、自动化以及高效地标定。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

根据本公开的一个方面，如图1至图2所示，提供一种硅谐振压力传感器自动标定系统，包括：温箱1、压力控制器2、信号采集电路板3、计算机4以及多通道气路板5。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，温箱1用于改变硅谐振压力传感器标定时所处环境的温度；计算机4上运行的上位机软件和温箱1通信，控制温箱1的温度。温箱1可选用但不限于ESPEC环境试验箱SU-262，温箱1和计算机4的通信方式可选用但不限于TCP/IP。温箱1通过网线6和计算机4连接，便可以通过计算机4上运行的上位机软件实现对温箱1内温度的控制和监测。

实际应用中，标定过程中温度稳定的精度对标定结果有很大的影响，对温度稳定的判断是本公开实施例提供的硅谐振压力传感器自动标定系统设计的重要内容。自动标定系统可以对温箱1的状态实时监控，当温箱1达到某一设定温度值后，由于传导到高精度硅谐振压力传感器的温度有延迟，所以系统并不会立即开始标定，而是会控制温箱1温度稳定一段时间，待高精度硅谐振压力传感器温度达到设定值后，系统才会进行下一步骤。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，压力控制器2与硅谐振压力传感器连接，用于改变硅谐振压力传感器标定时所受的压力；计算机4上运行的上位机软件和压力控制器2通信，控制压力控制器2输出的压力。压力控制器2可选用但不限于Fluke压力控制器PPC4，通信方式可选用但不限于串口通信RS232。压力控制器2通过RS232转USB数据线7和计算机4连接，便可以通过计算机4上运行的上位机软件实现对压力控制器2输出压力的控制和监测。

实际应用中，标定过程中压力稳定的精度对标定结果有很大的影响，对压力稳定的判断是自动标定系统设计的重要内容。自动标定系统可以对压力控制器2的状态实时监控，当系统给压力控制器2设定某一压力值后，由于压力控制器2控制机理的缺陷，压力控制器2并不会稳定在该设定压力值，而是会在设定压力值上下波动，系统会连续读取压力控制器2的压力数据，只有当系统连续10次读取到的压力控制器2的压力数据都在0.1％kPa内，系统才会判断压力值稳定在0.1％kPa内，然后系统才会进行下一步骤。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，信号采集电路板3与硅谐振压力传感器连接，用于将硅谐振压力传感器输出的频率信号做放大、滤波和计数处理，如图2所示，信号采集电路板3通过屏蔽线缆8和硅谐振压力传感器连接，信号采集电路板3可选用但不限于stm32单片机作为主控，由于stm32板载资源有限，为节省stm32板载资源，可选用但不限于8选1数据选择器，通过开关的切换，可以采集多路硅谐振压力传感器输出频率信号，并将硅谐振压力传感器输出的频率信号做放大、滤波和计数等处理后发送给计算机4的上位机软件，通信方式可选用但不限于I2C通信。信号采集电路板3通过I2C转USB数据线9将频率信号处理后发送给计算机4上的上位机软件处理和保存。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，该硅谐振压力传感器自动标定系统还包括：电源10，其与信号采集电路板3通过导线11连接，用于为信号采集电路板供电，其中，电源10可选用但不限于KEITHLEY2231A-30-3型多通道直流电源。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，计算机4分别与温箱1、压力控制器2以及信号采集电路板3连接，用于控制温箱1和压力控制器2，使其满足标定的温度和压力条件，并读取信号采集电路板3输出的谐振频率数据；其中，计算机4对汇总数据中的温度、压力以及谐振器频率进行多项式拟合，求解相关系数，确定输出的谐振频率信号与输入的压力信号的对应关系。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，该硅谐振压力传感器自动标定系统还包括：多通道气路板5，其设置于温箱1内；该多通道气路板5的进气口51和压力控制器2的出气口通过气管12连接，多通道气路板5的出气口52和硅谐振压力传感器连接。多通道气路板5制作材料综合考虑重量和对变温快慢的影响可选用但不限于铝。多通道气路板5采用一个进气口51同时给多个硅谐振压力传感器供气，减少了气路接口，可以最大限度保证整个系统气路的气密性。多通道气路板5上可以设计多路连接压力传感器的通道，本实施例中设计12路通道，可以同时连接12只硅谐振压力传感器，实现12只硅谐振压力传感器的批量化标定，但不限于12路通道。多通道气路板5的出气口52可以根据待标定硅谐振压力传感器的接口设计不同的形状。

根据本公开的另一个方面，还提供一种硅谐振压力传感器自动标定方法，使用本公开实施例提供的硅谐振压力传感器自动标定系统进行标定，如图4所示，包括：步骤A：根据设定的待标定的温度点和压力点控制温箱1和压力控制器2，使其满足标定的温度和压力条件；步骤B：待温箱1和压力控制器2满足标定条件后，开始采集温度、压力以及硅谐振压力传感器输出的频率信号；步骤C：重复步骤A和步骤B，直至采集多组对应的温度、压力以及频率信号；步骤D：对多组温度、压力以及频率信号进行多项式拟合，确定输出的频率信号与输入的压力信号的对应关系。

实际应用中，将硅谐振压力传感器放置于温箱1内，固定于多通道气路板5上，通过多通道气路板5以及气管12和压力控制器2连接。硅谐振压力传感器输出的频率信号通过屏蔽线缆8和信号采集电路板3连接。连接好其余各线缆，启动电源10，运行计算机4上的上位机软件，点击导入按钮导入待标定的温度点、压力点、端口、压力传感器名称等参数后，一键启动标定程序即可。待标定结束后，一键调用对标定数据进行汇总解算的处理程序，便可对标定的温度、压力以及谐振器频率进行多项式拟合，求解相关系数，从而确定输出的频率信号与输入的压力信号的对应关系。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的硅谐振压力传感器自动标定系统及标定方法通过设置温箱、压力控制器以及计算机，从而实现对硅谐振压力传感器准确、自动化以及高效地标定。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如前面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅谐振压力传感器自动标定系统，包括：

温箱，用于改变硅谐振压力传感器标定时所处环境的温度；

压力控制器，其与所述硅谐振压力传感器连接，用于改变硅谐振压力传感器标定时所受的压力；

信号采集电路板，其与所述硅谐振压力传感器连接，用于将硅谐振压力传感器输出的频率信号做放大、滤波和计数处理，所述信号采集电路板包括：

stm32单片机；以及

8选1数据选择器，分别与所述stm32单片机和所述硅谐振压力传感器连接，用于切换多路压力传感器输出的频率信号；以及

计算机，其分别与所述温箱、所述压力控制器以及所述信号采集电路板连接，用于控制所述温箱和所述压力控制器，使其满足标定的温度和压力条件，并读取所述信号采集电路板输出的谐振频率数据，并将信号采集电路采集的数据与温箱的温度数据以及压力控制器的压力数据汇总处理，从而实现标定的自动化；

多通道气路板，设置于所述温箱内，包括：

进气口，其与所述压力控制器的出气口通过气管连接；以及

出气口，与所述硅谐振压力传感器连接；

其中，所述出气口包括多个，多个所述出气口分别与一硅谐振压力传感器连接；

其中，所述信号采集电路板和所述计算机的通信方式为I2C通信；

其中，所述计算机对汇总数据中的温度、压力以及谐振器频率进行多项式拟合，求解相关系数，确定输出的谐振频率信号与输入的压力信号的对应关系。

2.根据权利要求1所述的硅谐振压力传感器自动标定系统，所述多通道气路板的材质为铝。

3.根据权利要求1所述的硅谐振压力传感器自动标定系统，其中：

所述温箱为ESPEC环境试验箱SU-262；

所述压力控制器为Fluke压力控制器PPC4。

4.根据权利要求1所述的硅谐振压力传感器自动标定系统，还包括：电源，与所述信号采集电路板通过导线连接，用于为所述信号采集电路板供电；所述电源为KEITHLEY2231A-30-3型多通道直流电源。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅谐振压力传感器自动标定系统，其中：

所述温箱和所述计算机的通信方式为TCP/IP；

所述压力控制器和所述计算机的通信方式为串口通信RS232；

所述信号采集电路板和所述计算机的通信方式为I2C通信。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的硅谐振压力传感器自动标定系统，其中：

所述温箱和所述计算机通过网线连接；

所述压力控制器和所述计算机通过RS232转USB数据线连接；

所述压力传感器和所述信号采集电路板通过屏蔽线缆连接。

7.一种硅谐振压力传感器自动标定方法，使用如权利要求1所述的硅谐振压力传感器自动标定系统进行标定，包括：

步骤A：根据设定的待标定的温度点和压力点控制温箱和压力控制器，使其满足标定的温度和压力条件；

步骤B：待温箱和压力控制器满足标定条件后，开始采集温度、压力以及硅谐振压力传感器输出的频率信号；

步骤C：重复步骤A和步骤B，直至采集多组对应的温度、压力以及频率信号；

步骤D：对多组温度、压力以及频率信号进行多项式拟合，确定输出的频率信号与输入的压力信号的对应关系。

8.根据权利要求7所述的硅谐振压力传感器自动标定方法，所述步骤A包括：

步骤A1：控制温箱温度稳定在设定值，直至硅谐振压力传感器的温度达到设定值；

步骤A2：控制压力控制器的输出压力，使其输出的压力信号连续十次误差均在0.1%kPa内。

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