CN110553786A - 压力传感器的补偿方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器的补偿方法和系统，该方法包括：S1，在压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，获取相应的压力值组，每一压力值组均包括设定温度值下的不同输出压力值，零点压力值对应的压力值组为压力传感器的零点压力值组；S2，对输出压力值进行拟合，获得各设定温度值的零点修正值，基于零点修正值对各压力值组中的输出压力值进行零点修正；S3，对经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，获得温度补偿曲线；S4，对温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，获得压力传感器的标定补偿曲线，基于标定补偿曲线对输出压力值进行标定补偿。本发明提供的压力传感器的补偿方法和系统，补偿精度高、系统资源消耗少，且标定周期短。

Description

压力传感器的补偿方法和系统

技术领域

本发明涉及流量计技术领域，具体地，涉及一种压力传感器的补偿方法和系统。

背景技术

压力传感器是压力式气体质量流量控制器(Mass Flow Controller，以下简称MFC)的核心部件，其输出精度对压力式MFC的控制精度起到了决定性的作用。压力传感器主要有两种类型：电阻式和电容式，这两种类型的传感器由于制作材料和工艺问题，压力传感器的输出信号往往存在偏差且有随温度漂移的特性。因此，需要对压力传感器进行包含零点温度补偿、灵敏度温度补偿以及常温下的精度标定等的温度补偿，以确保压力传感器在一定的温度范围内能够输出满足精度要求的信号。

现有的温度补偿方法有两种，一种是模拟补偿方法，其是通过在压力传感器的输入端和输出端分别串联和并联诸如电阻、电容等的无源器件，以此进行分压或者是分流来减少温度对压力传感器输出的影响，这种补偿结构较简单，但是调节周期较长，补偿的精度不高。另一种是数字补偿方法，其是通过数字或模拟电路获得压力传感器的输出信号，并对该输出信号进行分析，然后根据分析结果对压力传感器的输出信号进行数字补偿。该补偿方法若采用简单算法进行分析，虽然标定周期短，但是存在补偿精度低的问题；若采用复杂算法进行分析，虽然补偿精度高，但是存在系统消耗大，数据存储量大的问题，并且为了获取正确的数学模型，需要采集不同温度下的数据，数据量较大，导致标定周期较长。

因此，目前亟需一种补偿精度高、系统资源消耗少，且标定周期短的补偿方法和系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种压力传感器的补偿方法和系统，其补偿精度高、系统资源消耗少，且标定周期短。

为实现上述目的，本发明提供了一种压力传感器的补偿方法，包括以下步骤：

S1，在所述压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，获取与所述多个设定压力值一一对应的压力值组，每一所述压力值组均包括与该压力值组对应的设定压力值在不同的设定温度值下所述压力传感器的不同的输出压力值，所述多个设定压力值中包括所述压力传感器的零点压力值，所述零点压力值对应的压力值组为所述压力传感器的零点压力值组；

S2，对所述零点压力值组中的输出压力值进行拟合，获得各所述设定温度值的零点修正值，基于所述零点修正值对各所述压力值组中的输出压力值进行零点修正；

S3，对各所述压力值组中经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，获得所述压力传感器的温度补偿曲线；

S4，对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，获得所述压力传感器的标定补偿曲线，基于所述标定补偿曲线对所述压力传感器的输出压力值进行标定补偿。

可选的，所述在所述压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，包括：

以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，分别在所述多个子范围内选取所述设定压力值，所述子范围对应的压力值越小，在该子范围内选取的所述设定压力值的数量越多。

可选的，以满量程的20％作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为两个子范围；

在低于所述分段点的所述子范围内，选择的所述设定压力值的数量大于或者等于3个。

可选的，所述对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，包括：

以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，对于不同的所述子范围，采用不同阶数的最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合。

可选的，所述对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，包括：

以满量程的20％作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为两个子范围；

对于低于所述分段点的所述子范围，采用5阶最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合；

对于高于所述分段点的所述子范围，采用3阶最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合。

可选的，在所述步骤S4之后，还包括以下步骤：

S5，以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，在每个所述子范围内至少选取一个检测压力值，判断在所述检测压力值下所述压力传感器输出的经过补偿的输出压力值与所述检测压力值的误差是否大于预设阈值，如果大于，则为该检测压力值对应的子范围设置一调整系数，当所述压力传感器输出的经过补偿的输出压力值在该子范围内时，基于所述调整系数再次对经过补偿的输出压力值进行校准。

可选的，在所述步骤S3中，所述温度补偿曲线对应的公式为：

P＝(Q-Z)(rT²+qT+u)

其中，P为温度补偿后的所述输出压力值；Q为所述输出压力值；Z为所述零点修正值；(rT²+qT+u)为温度系数，r、q、t均为常数；T为实际温度值。

可选的，在所述步骤S4中，对于低于所述分段点的所述子范围，所述标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP⁵+bP⁴+cP³+dP²+eP+f

对于高于所述分段点的所述子范围，所述标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP³+bP²+cP+d

其中，Pout为标定补偿后的所述输出压力值；a、b、c、d、e、f为校准因子。

作为另一个技术方案，本发明还提供一种压力传感器的补偿系统，包括：

控制单元，用于采用本发明提供的上述压力传感器的补偿方法对所述压力传感器进行补偿；

温度控制单元，用于在所述控制单元的控制下，调节所述压力传感器的工作温度；

压力控制单元，用于在所述控制单元的控制下，调节所述压力传感器检测的实际压力。

可选的，还包括：

多路连接单元，用于连接所述压力控制单元与一个或多个所述压力传感器。

本发明的有益效果：

本发明所提供的压力传感器的补偿方法和系统的技术方案，仅需要获取一定数量的压力值组即可，其中，各个压力值组与量程范围内选取的设定压力值一一对应，且每一压力值组均包括该压力值组对应的设定压力值在不同的设定温度值下压力传感器的不同输出压力值，多个设定压力值中包括压力传感器的零点压力值组。通过对零点压力值组中的输出压力值进行拟合，可以基于拟合获得的零点修正值对各输出压力值组中的输出压力值进行零点修正。之后，通过对各压力值组中经零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，即实现了温度补偿。最后，通过将二次曲线拟合获得的温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合获得标定补偿曲线，进而可以基于获得的标定补偿曲线对压力传感器的输出压力值进行标定补偿。

本发明提供的压力传感器的补偿方法和系统，其与现有技术相比，采用相应的拟合方法进行零点修正、温度补偿和精度标定，具有较高的补偿精度，而且无需采集大量数据，从而减少了系统资源消耗，缩短了标定周期。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压力传感器的补偿方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的压力传感器的补偿系统的结构图；

图3为本发明实施例采用的压力式MFC的结构图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的压力传感器的补偿方法和系统进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的压力传感器的补偿方法，其包括以下步骤：

S1，在压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，获取与多个设定压力值一一对应的压力值组，每一压力值组均包括与该压力值组对应的设定压力值在不同的设定温度值下压力传感器的不同的输出压力值，多个设定压力值中包括压力传感器的零点压力值，该零点压力值对应的压力值组为压力传感器的零点压力值组。

在步骤S1中，选取设定压力值的方式具体可以为：利用压力控制装置直接调节待压力检测件(例如流体通道)中的压力值，使之达到压力传感器的量程范围内的某一特定值，该特定值即为上述设定压力值。容易理解，压力控制装置的调节精度应大于压力传感器的输出精度。

利用温度控制装置调节压力传感器的工作温度，使之达到某一特定值，该特定值即为上述温度设定值。

在某一温度设定值的条件下，利用压力控制装置逐个将待压力检测件(例如流体通道)中的压力调节至不同的设定压力值，并对应地接收来自压力传感器反馈的输出压力值，可以获得上述各压力值组中在该温度设定值下的输出压力值。通过在不同的温度设定值下重复上述操作即可最终获得各压力值组中的各输出压力值。

下面以获取6组压力值组为例，对上述步骤S1进行详细说明。具体地，如下述表1所示，首先，在压力传感器的量程范围内，选取6个不同的设定压力值(P10-P15)，以及4个不同的设定温度值(T1-T4)。然后，先利用温度控制装置将压力传感器的工作温度调节至设定温度值，再利用压力控制装置将待压力检测件中的压力调节至设定压力值，待压力稳定后读取压力传感器反馈的输出压力值，如此循环进行温度设定、压力设定和压力反馈的步骤，可以获得与6个设定压力值(P10-P15)一一对应地6组压力值组，例如，与设定压力值P10对应的压力值组包括与4个设定温度值(T1-T4)一一对应的4个输出压力值(Q10-Q40)。

其中，设定压力值P10为压力传感器的零点压力值，即设定压力值P10为零，那么与设定压力值P10对应的压力值组即为压力传感器的零点压力值组。

表1，为6组压力值组。

根据压力传感器的温度特性，在低压范围(例如，满量程的20％以下的压力范围)内，输出压力值的非线性较强，这就需要在该范围内适当增加设定压力值的数量，以确保后续进行线性拟合的准确性能够达到要求。

可选的，以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将压力传感器的量程范围划分为多个子范围，分别在多个子范围内选取设定压力值，子范围对应的压力值越小，在该子范围内选取的设定压力值的数量越多，也就是说，在低压范围内选取的设定压力值的数量应多于高压范围内选取的设定压力值的数量。

例如，以满量程的20％作为分段点将压力传感器的量程范围划分为两个子范围；其中，在低于该分段点的子范围(即，满量程的20％以下的低压范围)内，选择的设定压力值的数量大于或者等于3个。该数量可以确保后续进行线性拟合的准确性能够达到要求。

S2，对零点压力值组中的输出压力值进行拟合，获得各设定温度值的零点修正值，并基于该零点修正值对各压力值组中的输出压力值进行零点修正。

可选的，各个输出压力值与对应的零点修正值的差值即为经过零点修正的输出压力值。

仍然以上述表1中的6组压力值组为例，对步骤S2进行详细说明。具体地，如表2所示，假设与设定压力值P10对应的压力值组(表2中的第二列数据)为零点压力值组。

首先，将零点压力值组中的4个输出压力值(Q10-Q40)进行拟合，获得一条直线或曲线，根据该直线或曲线获得与4个设定温度值(T1-T4)一一对应的零点修正值(Z10-Z40)。

然后，逐组计算6组压力值组中，各个输出压力值与对应的零点修正值的差值，即，相同的设定温度值，不同组的压力值组中的输出压力值均减去相同的零点修正值。例如，设定温度值为T1，6组压力值组中的与T1对应的输出压力值(Q10-Q15)均减去零点修正值Z10。获得的差值即为经过零点修正的输出压力值，从而完成零点修正。

表2，为零点修正后的6组压力值组。

在完成零点修正之后，对经过零点修正的输出压力值进行温度补偿，即：

S3，将各压力值组中经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，获得压力传感器的温度补偿曲线。

上述温度补偿曲线能够表示温度补偿后的输出压力值与实际温度值的对应关系。

以上述表2中的6组压力值组为例，对步骤S3进行详细说明。具体地，将各压力值组中的4个经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，即先拟合得到每个设定温度值对应的补偿曲线，再对这些补偿曲线进行拟合得到最终的温度补偿曲线。例如，如表3所示，对设定压力值P10对应的压力值组中的4个经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，可以获得在实际温度值为Tx下的输出压力值，即，(Qx0-Zx0)Kx0。其中，(Qx0-Zx0)为经过零点修正后的输出压力值；Kx0为温度系数。上述温度补偿曲线对应的公式为：

P＝(Q-Z)(rT²+qT+u)

其中，P为温度补偿后的输出压力值；Q为输出压力值；Z为零点修正值；(Q-Z)为差值；(rT²+qT+u)为温度系数，r、q、t均为常数；T为实际温度值。

在步骤S3中，通过进行二次曲线拟合，可以减少算法的复杂度，从而在具有较高的补偿精度的前提下，无需采集大量数据，从而减少了系统资源消耗，缩短了标定周期。

表3，为温度补偿后的6组压力值组。

在完成温度补偿后，对温度补偿后的输出压力值进行精度标定，即：

S4，对温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，获得压力传感器的标定补偿曲线，基于该标定补偿曲线对压力传感器的输出压力值进行标定补偿。

在步骤S4中，通过进行最小二乘法曲线拟合，可以减少算法的复杂度，从而在具有较高的补偿精度的前提下，无需采集大量数据，从而减少了系统资源消耗，缩短了标定周期。

根据压力传感器的温度特性，在低压范围(例如，满量程的20％以下的压力范围)内，输出压力值的非线性较强，为了确保低压范围内的输出信号的精度满足要求，就需要在该低压范围内进行较高阶数的最小二乘法曲线拟合，而高压范围内则进行较低阶数的最小二乘法曲线拟合即可。也就是说，以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将压力传感器的量程范围划分为多个子范围，对于不同的子范围，采用不同阶数的最小二乘法对温度补偿曲线进行曲线拟合。

可选的，以满量程的20％作为分段点将压力传感器的量程范围划分为两个子范围；对于低于分段点的子范围，采用5阶最小二乘法对温度补偿曲线进行曲线拟合，可选的，标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP⁵+bP⁴+cP³+dP²+eP+f

对于高于分段点的子范围，采用3阶最小二乘法对温度补偿曲线进行曲线拟合，可选的，标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP³+bP²+cP+d

其中，Pout为压力标定值；P为压力补偿值；a、b、c、d、e、f为校准因子。

对于压力传感器的某些应用，例如，应用于压力式MFC中，由于压力式MFC对控制精度要求严格，一般为要求精度误差在1％以内，这就需要压力传感器在低压力范围(对于5％-100％满量程，低压力范围在5％-10％)内具有更高的输出精度。

为此，可选的，在步骤S4之后，还包括以下步骤：

S5，以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将压力传感器的量程范围划分为多个子范围，在每个子范围内至少选取一个检测压力值，判断在该检测压力值下压力传感器输出的经过补偿的输出压力值与检测压力值的误差是否大于预设阈值，如果大于，则为该检测压力值对应的子范围设置一调整系数，当压力传感器输出的经过补偿的输出压力值在该子范围内时，基于调整系数再次对经过补偿的输出压力值进行校准。

假设，上述误差为σ，上述预设常数为g，则调整系数ε＝σ×g，其中，预设常数g可以根据经验获得。

借助上述步骤S5，可以使压力传感器在整个量程范围内的输出精度误差均在1％以内，从而可以满足例如半导体行业等对高精度的要求。

综上所述，本发明实施例提供的压力传感器的补偿方法，其可以实现对压力传感器的零点修正、温度补偿和精度标定，并且与现有技术相比，通过采用相应的拟合方法进行零点修正、温度补偿和精度标定，具有较高的补偿精度，而且无需采集大量数据，从而减少了系统资源消耗，缩短了标定周期。

作为另一个技术方案，本发明实施例还提供一种压力传感器的补偿系统，请参阅图2，该系统包括控制单元1、温度控制单元2和压力控制单元3。其中，控制单元1用于采用本发明实施例提供的上述压力传感器的补偿方法对压力传感器4进行补偿。温度控制单元2用于在控制单元1的控制下，调节压力传感器4的工作温度。压力控制单元3用于调节压力传感器检测的的实际压力。

可选的，温度控制单元2与控制单元1采用有线或无线的方式通信，压力控制单元3与控制单元1采用有线或无线的方式通信。

在本实施例中，压力传感器4应用在质量流量控制器，即，压力式MFC 5中，用于检测流体通道52(即，待压力检测件)中的压力，并将输出压力值发送至压力式MFC 5的控制模块51；该控制模块51与控制单元1采用有线或无线的方式通信，用于将输出压力值的模拟信号转换为数字信号，并发送至控制单元1；压力控制单元3用于调节流体通道52中的实际压力。

在本实施例中，请参阅图3，压力式MFC 5具体包括控制模块51、流体通道52、压力阀驱动单元53和压力阀54。控制模块51通过压力阀驱动单元53控制压力阀54的开度，以实现对流体通道52中的流体流量进行调节。

可选的，如图2所示，补偿系统还包括多路连接单元6；该多路连接单元6用于连接将压力控制单元3与一个或多个压力传感器中的流体通道52连接。图2中示出了与两套压力式MFC5中的流体通道52连接，当然，在实际应用中，可以根据具体需要连接更多数量的压力式MFC5。或者，也可以连接一个压力式MFC5，此时不需要设置多路连接单元6。

本发明实施例提供的压力传感器的补偿系统，其通过采用本发明实施例提供的上述补偿方法，可以实现对压力传感器的零点修正、温度补偿和精度标定，并且与现有技术相比，通过采用相应的拟合方法进行零点修正、温度补偿和精度标定，具有较高的补偿精度，而且无需采集大量数据，从而减少了系统资源消耗，缩短了标定周期。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种压力传感器的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在所述压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，获取与所述多个设定压力值一一对应的压力值组，每一所述压力值组均包括与该压力值组对应的设定压力值在不同的设定温度值下所述压力传感器的不同的输出压力值，所述多个设定压力值中包括所述压力传感器的零点压力值，所述零点压力值对应的压力值组为所述压力传感器的零点压力值组；

S2，对所述零点压力值组中的输出压力值进行拟合，获得各所述设定温度值的零点修正值，基于所述零点修正值对各所述压力值组中的输出压力值进行零点修正；

S3，对各所述压力值组中经过零点修正的输出压力值进行二次曲线拟合，获得所述压力传感器的温度补偿曲线；

S4，对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，获得所述压力传感器的标定补偿曲线，基于所述标定补偿曲线对所述压力传感器的输出压力值进行标定补偿。

2.根据权利要求1所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，所述在所述压力传感器的量程范围内选取多个设定压力值，包括：

以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，分别在所述多个子范围内选取所述设定压力值，所述子范围对应的压力值越小，在该子范围内选取的所述设定压力值的数量越多。

3.根据权利要求2所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，以满量程的20％作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为两个子范围；

在低于所述分段点的所述子范围内，选择的所述设定压力值的数量大于或者等于3个。

4.根据权利要求1所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，所述对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，包括：

以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，对于不同的所述子范围，采用不同阶数的最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合。

5.根据权利要求4所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，所述对所述温度补偿曲线进行最小二乘法曲线拟合，包括：

以满量程的20％作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为两个子范围；

对于低于所述分段点的所述子范围，采用5阶最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合；

对于高于所述分段点的所述子范围，采用3阶最小二乘法对所述温度补偿曲线进行曲线拟合。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，还包括以下步骤：

S5，以一个或多个不同的满量程的百分比作为分段点将所述压力传感器的量程范围划分为多个子范围，在每个所述子范围内至少选取一个检测压力值，判断在所述检测压力值下所述压力传感器输出的经过补偿的输出压力值与所述检测压力值的误差是否大于预设阈值，如果大于，则为该检测压力值对应的子范围设置一调整系数，当所述压力传感器输出的经过补偿的输出压力值在该子范围内时，基于所述调整系数再次对经过补偿的输出压力值进行校准。

7.根据权利要求4或5所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述温度补偿曲线对应的公式为：

P＝(Q-Z)(rT²+qT+u)

其中，P为温度补偿后的所述输出压力值；Q为所述输出压力值；Z为所述零点修正值；(rT²+qT+u)为温度系数，r、q、t均为常数；T为实际温度值。

8.根据权利要求7所述的压力传感器的补偿方法，其特征在于，在所述步骤S4中，对于低于所述分段点的所述子范围，所述标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP⁵+bP⁴+cP³+dP²+eP+f

对于高于所述分段点的所述子范围，所述标定补偿曲线的公式为：

Pout＝aP³+bP²+cP+d

其中，Pout为标定补偿后的所述输出压力值；a、b、c、d、e、f为校准因子。

9.一种压力传感器的补偿系统，其特征在于，包括：

控制单元，用于采用权利要求1-8任意一项所述的压力传感器的补偿方法对所述压力传感器进行补偿；

温度控制单元，用于在所述控制单元的控制下，调节所述压力传感器的工作温度；

压力控制单元，用于在所述控制单元的控制下，调节所述压力传感器检测的实际压力。

10.根据权利要求9所述的压力传感器的补偿系统，其特征在于，还包括：

多路连接单元，用于连接所述压力控制单元与一个或多个所述压力传感器。