CN112345127A - 一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法，该方法包括：在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型；基于第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值；基于第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值；将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并根据比较结果确定待测环境的输出压力值；其中，第一芯体压力量程的最大值大于第二芯体压力量程的最大值。应用本发明的技术方案，以解决现有的硅压阻压力传感器无法同时满足小体积和分段量程不同精度的技术问题。

Description

一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法。

背景技术

硅压阻压力传感器是硅微压力传感器中技术最成熟的一类，具有体积微小、易于集成、灵敏度高、过载能力强、工艺难度小、成本低等优点，被广泛应用于航空航天、工业控制、消费电子等领域。随着各项技术的高速发展，硅压阻压力传感器也向着微型化、集成化、智能化等方向发展，以实现更多领域的应用。

目前的硅压阻压力传感器内均包括一个芯体。因此，在某些要求小体积、分段量程不同精度需求的应用场景，采用一个硅压阻压力传感器无法满足分段量程不同精度的需求，而采用两个硅压阻压力传感器又无法满足系统对于小体积的应用要求。

发明内容

本发明提供了一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法，能够解决现有的硅压阻压力传感器无法同时满足小体积和分段量程不同精度的技术问题。

本发明提供了一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法，所述方法包括：

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型；

基于第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值；

基于第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值；

将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并根据比较结果确定待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体压力量程的最大值大于第二芯体压力量程的最大值。

优选的，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型包括：

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号；

基于第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号建立第一芯体的拟合模型；

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号；

基于第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号建立第二芯体的拟合模型。

优选的，根据比较结果确定待测环境的输出压力值包括：

在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值的情况下，将第一解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

在比较结果为第二解算压力值小于或者等于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值的情况下，将第二解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值且小于或者等于第二芯体压力量程的最大值的情况下，获取第二解算压力值、与第二解算压力值相邻的前m个第二解算压力值、第一解算压力值和与第一解算压力值相邻的前n个第一解算压力值的平均值，并将平均值确定为待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体的型谱和第二芯体的型谱相同。

优选的，所述第一芯体的型谱和所述第二芯体的型谱同为绝压型、表压型或者差压型。

优选的，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型之后，所述方法还包括：

分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证，并在验证结果为不合格的情况下，重新在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型。

优选的，分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证包括：

判断第一芯体的拟合模型的拟合残差和第二芯体的拟合模型的拟合残差是否均小于残差临界值，若是，则验证结果为合格，否则验证结果为不合格。

应用本发明的技术方案，通过第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值，通过第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值，将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并确定待测环境的输出压力值，从而实现了使用一个硅压阻压力传感器满足分段量程不同精度的需求。本发明将双芯体复合硅压阻压力传感器与数据融合方法相结合，可以在不增加传感器尺寸和电路核心器件的情况下实现分段量程不同精度的需求。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的一种实施例提供的双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本发明的一种实施例提供的双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法的流程图。

如图1所示，本发明提供了一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法，所述方法包括：

S1、在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型；

S2、基于第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值；

S3、基于第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值；

S4、将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并根据比较结果确定待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体压力量程的最大值大于第二芯体压力量程的最大值。

应用本发明的技术方案，通过第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值，通过第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值，将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并确定待测环境的输出压力值，从而实现了使用一个硅压阻压力传感器满足分段量程不同精度的需求。本发明将双芯体复合硅压阻压力传感器与数据融合方法相结合，可以在不增加传感器尺寸和电路核心器件的情况下实现分段量程不同精度的需求。

根据本发明的一种实施例，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型包括：

S11、在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号；

S12、基于第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号建立第一芯体的拟合模型；

S13、在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号；

S14、基于第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号建立第二芯体的拟合模型。

其中，本发明可以通过选取合适的拟合阶数来优化拟合模型的拟合残差。

在本发明中，获取第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号包括如下步骤：

S111、同时采集第一芯体内电桥的多个第一模拟电压信号和第一芯体内温度传感器的多个第二模拟电压信号；

S112、对每个第一模拟电压信号进行放大处理，得到对应的多个放大后的第一模拟电压信号；

S113、对每个放大后的第一模拟电压信号进行转换处理，得到对应的多个第一压力信号；

S114、对每个第二模拟电压信号进行放大处理，得到对应的多个放大后的第二模拟电压信号；

S115、对每个放大后的第二模拟电压信号进行转换处理，得到对应的多个第一温度信号。

获取第二芯体的多个第二压力信号和多个第二温度信号的方法与上述实施例的方法相同，本发明不再赘述。

根据本发明的一种实施例，根据比较结果确定待测环境的输出压力值包括：

S41、在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值的情况下，将第一解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

S42、在比较结果为第二解算压力值小于或者等于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值的情况下，将第二解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

S43、在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值且小于或者等于第二芯体压力量程的最大值的情况下，获取第二解算压力值、与第二解算压力值相邻的前m个第二解算压力值、第一解算压力值和与第一解算压力值相邻的前n个第一解算压力值的平均值，并将平均值确定为待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体的型谱和第二芯体的型谱相同。

根据本发明的一种实施例，所述第一芯体的型谱和所述第二芯体的型谱同为绝压型、表压型或者差压型。

根据本发明的一种实施例，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型之后，所述方法还包括：

分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证，并在验证结果为不合格的情况下，重新在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型。

其中，本发明可以采用三温验证实验来验证两个芯体的拟合模型，以验证拟合模型的准确性。

根据本发明的一种实施例，分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证包括：

判断第一芯体的拟合模型的拟合残差和第二芯体的拟合模型的拟合残差是否均小于残差临界值，若是，则验证结果为合格，否则验证结果为不合格。

下面以第一芯体压力量程为0-100kPa，第二芯体压力量程为0-35kPa为例，对本发明进行详细说明。在本实施例中，两个芯体的型谱均为绝压型，两个芯体在0-100kPa的全压力范围内均可获取正常的解算压力值，且两个芯体的全温度范围均为-45℃～85℃，预设值可以设为1kPa。

本发明提供的双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法包括如下步骤：

S10、获取第一芯体在0-100kPa的全压力范围和-45℃～85℃的全温度范围内的第一压力数据组和第一温度数据组；

S20、利用MATLAB软件采用最小二乘法，对第一压力数据组和第一温度数据组进行曲面拟合，得到第一芯体的拟合模型；

S30、获取第二芯体在0-100kPa的全压力范围和-45℃～85℃的全温度范围内第二压力数据组和第二温度数据组；

S40、利用MATLAB软件采用最小二乘法，对第二压力数据组和第二温度数据组进行曲面拟合，得到第二芯体的拟合模型；

S50、基于第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值P₁；

S60、基于第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值P₂；

S70、当P₂≤34kPa时，待测环境的输出压力值为第二解算压力值P₂；

S80、当P₂＞35kPa时，待测环境的输出压力值为第一解算压力值P₁；

S90、当34kPa＜P₂≤35kPa时，待测环境的输出压力值为第二解算压力值P₂、与第二解算压力值P₂相邻的前2个第二解算压力值、第一解算压力值P₁和与第一解算压力值P₁相邻的前4个第一解算压力值的平均值。

在上述实施例中，为了避免待测环境的输出压力值出现断崖式衔接的情况，将(34,35]kPa这个量程区间作为缓冲区，当第二解算压力值P₂在缓冲区内时，将上述的平均值确定为待测环境的输出压力值，使输出压力值为平滑过渡，从而提高数据融合的精度。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种双芯体复合硅压阻压力传感器数据融合方法，其特征在于，所述方法包括：

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型；

基于第一芯体的拟合模型获取待测环境的第一解算压力值；

基于第二芯体的拟合模型获取待测环境的第二解算压力值；

将第二解算压力值与第二芯体压力量程的最大值进行比较，并根据比较结果确定待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体压力量程的最大值大于第二芯体压力量程的最大值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型包括：

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号；

基于第一芯体的多个第一压力信号和与每个第一压力信号一一对应的第一温度信号建立第一芯体的拟合模型；

在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内获取第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号；

基于第二芯体的多个第二压力信号和与每个第二压力信号一一对应的第二温度信号建立第二芯体的拟合模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据比较结果确定待测环境的输出压力值包括：

在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值的情况下，将第一解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

在比较结果为第二解算压力值小于或者等于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值的情况下，将第二解算压力值确定为待测环境的输出压力值；

在比较结果为第二解算压力值大于第二芯体压力量程的最大值减去预设值的差值且小于或者等于第二芯体压力量程的最大值的情况下，获取第二解算压力值、与第二解算压力值相邻的前m个第二解算压力值、第一解算压力值和与第一解算压力值相邻的前n个第一解算压力值的平均值，并将平均值确定为待测环境的输出压力值；

其中，第一芯体的型谱和第二芯体的型谱相同。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一芯体的型谱和所述第二芯体的型谱同为绝压型、表压型或者差压型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型之后，所述方法还包括：

分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证，并在验证结果为不合格的情况下，重新在第一芯体压力量程的全压力范围和全温度范围内建立第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，分别对第一芯体的拟合模型和第二芯体的拟合模型进行验证包括：

判断第一芯体的拟合模型的拟合残差和第二芯体的拟合模型的拟合残差是否均小于残差临界值，若是，则验证结果为合格，否则验证结果为不合格。

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