CN117213696B - 基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法，扫描阀包括电连接器、外壳、压力主体、信号处理电路板；所述外壳一侧固定设置电连接器，外壳另一侧固定设置压力主体，压力主体用于检测介质压力并反馈压力信息至信号处理电路板，外壳内设有信号处理电路板，用于接收和处理压力信息；信号处理电路板与电连接器连接，电连接器作为所述压力扫描阀的信号输出端口，输出信号处理电路板处理后的压力信息。本发明的压力扫描阀尺寸小，便于安装在空间狭小的应用环境中，如发动机、变速箱、增压机等设备上，且在压力检测过程中进行了压力补充，提高压力检测结果的准确度。

Description

基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法

技术领域

本发明涉及扫描阀技术领域，尤其涉及一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法。

背景技术

在工业环境中识别、检测、测量和确认气体的存在，需要气体传感器。根据区域中气体的体积和浓度，气体传感器将产生相应电位差，电位差会改变传感器内部材料的电阻值。进而根据电阻值的变化产生一个电信号，最终该电信号被测量为输出电压。气体浓度传感器是用于在不同场景中检测气体浓度的气体传感器。

现有的气体压力扫描阀尺寸较大，难以应用在空间狭小的环境中，而小型化的扫描阀设计在压力检测时相邻检测通道会对检测结果存在诸多干扰，降低压力检测的准确性。

发明内容

技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法，尺寸小，便于安装在空间狭小的应用环境中，如发动机、变速箱、增压机等设备上，且在压力检测过程中进行了压力补充，提高压力检测结果的准确度。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，包括：电连接器、外壳、压力主体、信号处理电路板；所述外壳一侧固定设置电连接器，外壳另一侧固定设置压力主体，压力主体用于检测介质压力并反馈压力信息至信号处理电路板，外壳内设有信号处理电路板，用于接收和处理压力信息；信号处理电路板与电连接器连接，电连接器作为所述压力扫描阀的信号输出端口，输出信号处理电路板处理后的压力信息。

优选地，所述压力主体包括上盖板、底板、左挡块、右挡块、滑块、引压管、压力测量模块；上盖板、底板、左挡块、右挡块和前后对称设置的压力测量模块固定后围成一个腔体，腔体内容纳滑块，滑块在底板上左右滑动，实现校准模式和测量模式的切换；滑块上表面和前后左右表面设有若干个气孔，上表面的每个气孔均与前表面、后表面、左表面或右表面的气孔形成导通的气体通路；所述上盖板上引出若干个引压管、滑块驱动管和校准导气管，滑块滑动接触右挡块时，滑块上表面存在与引压管的出气端一一对应的第一气孔，第一气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔一一导通，与压力测量模块接触，形成若干路压力检测通道，实现测量模式，滑块滑动接触左挡块时，校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，第二气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔导通，与压力测量模块接触，实现校准模式，滑块驱动管的出气端与滑块上表面两端的第三气孔导通，第三气孔在滑块内部分别与滑块左/右表面的气孔一一导通，用于通过从滑块驱动管处向压力扫描阀内部进气，控制滑块左右移动。

优选地，所述压力测量模块的一侧设有电气接口，与信号处理电路板接触，用于传递采集的压力信息；所述压力测量模块围成腔体的内侧设有若干气孔，所有压力测量模块内侧的气孔与滑块前表面或后表面的气孔一一对应；每个压力测量模块内部设有压力测量板，压力测量板上设有若干个扩散硅压力敏感芯体和与扩散硅压力敏感芯体连通的通道切换开关，压力测量模块的每个气孔底部即为扩散硅压力敏感芯体，所述扩散硅压力敏感芯体用于通过通道切换开关从电气接口输出压力信息。

优选地，所述信号处理电路板上设有电源电路和通过电源电路供电的扩散硅压力敏感芯体信号放大电路、信号处理电路和通信电路；

所述扩散硅压力敏感芯体信号放大电路包括八个模数芯片U3，每个模数芯片U3用于实现一个压力测量模块9中的8路压力信息的信号放大；模数芯片U3的引脚30通过电阻R11与AIN0N信号连接，模数芯片U3的引脚29通过电阻R12与AIN0P信号连接，模数芯片U3的引脚30通过电容C7与模数芯片U3的引脚29连接；模数芯片U3的引脚31通过电阻R13与AIN1N信号连接，模数芯片U3的引脚32通过电阻R16与AIN1P信号连接，模数芯片U3的引脚31通过电容C9与模数芯片U3的引脚32连接；模数芯片U3的引脚2通过电阻R17与AIN2N信号连接，模数芯片U3的引脚1通过电阻R18与AIN2P信号连接，模数芯片U3的引脚2通过电容C10与模数芯片U3的引脚1连接；模数芯片U3的引脚3通过电阻R20与AIN3N信号连接，模数芯片U3的引脚4通过电阻R21与AIN3P信号连接，模数芯片U3的引脚3通过电容C11与模数芯片U3的引脚4连接；模数芯片U3的引脚6通过电阻R22与AIN4N信号连接，模数芯片U3的引脚5通过电阻R25与AIN4P信号连接，模数芯片U3的引脚6通过电容C12与模数芯片U3的引脚5连接；模数芯片U3的引脚7通过电阻R26与AIN5N信号连接，模数芯片U3的引脚8通过电阻R27与AIN5P信号连接，模数芯片U3的引脚7通过电容C13与模数芯片U3的引脚8连接；模数芯片U3的引脚10通过电阻R28与AIN6N信号连接，模数芯片U3的引脚9通过电阻R29与AIN6P信号连接，模数芯片U3的引脚10通过电容C14与模数芯片U3的引脚9连接；模数芯片U3的引脚11通过电阻R30与AIN7N信号连接，模数芯片U3的引脚12通过电阻R32与AIN7P信号连接，模数芯片U3的引脚11通过电容C15与模数芯片U3的引脚12连接；

模数芯片U3的引脚23连接CLKOUT信号，模数芯片U3的引脚19连接SCLK信号，模数芯片U3的引脚17连接CS信号，模数芯片U3的引脚21连接DIN信号，模数芯片U3的引脚20连接DOUT信号；模数芯片U3的引脚18连接DRDY信号；模数芯片U3的引脚16连接RESET1信号。

优选地，所述信号处理电路包括处理芯片U5，处理芯片U5的引脚25、引脚26、引脚27、引脚28、引脚29和引脚30分别与模数芯片U3的引脚17、引脚19、引脚20、引脚21、引脚18和引脚16连接；通信电路包括通信芯片U6，通信芯片U6的型号为LTC2851MPMS8#PBF，通信芯片U6的引脚2、引脚3分别与处理芯片U5的引脚20、引脚19连接，通信芯片U6的引脚7连接B信号，通信芯片U6的引脚8连接A信号，通信芯片U6的引脚5连接Y信号，通信芯片U6的引脚6连接Z信号，通信芯片U6的引脚5通过电阻R36和通信芯片U6的引脚6连接。

一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀的压力检测方法，应用于以上任一所述的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，包括以下步骤：

步骤S1、出厂压力校准：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触左挡块，使得校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，校准导气管向所有测量通道导入气体，所有测量通道的气压相同，进行压力校准；

步骤S2、计算压力补偿参数：进行若干次周期的压力测量，根据实际压力测量结果进行最小二乘拟合获取测量通道之间的压力干扰，即误差项分布参数，根据误差项分布参数构建校准矩阵；

步骤S3、压力测量及校准输出：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触右挡块，使得滑块上表面的第一气孔与引压管的出气端一一对应，进行压力测量，根据实际压力测量结果和校准矩阵计算输出校准后的压力测量结果。

优选地，所述步骤S3中校准后的压力测量结果的计算公式为：

，

其中，为第i行j列测量通道的压力测量校准后结果，/>为第i行j列测量通道的实际压力测量结果，i表示横向的第i个测量通道，且/>，/>为测量通道横向间隔数量，j表示纵向的第j个测量通道，且/>，/>为测量通道纵向间隔数量，P表示I行J列的实测压力矩阵，/>，C是一个I行J列的校准矩阵，即步骤S2中得到的校准矩阵。

优选地，所述步骤S2中校准矩阵中第i行j列的校准元素的计算公式为：

，

其中，为校准矩阵中第i行j列的校准元素，/>为第i行j列的通道位置，为尺度参数，/>为形状参数，/>为位置参数，/>、/>、/>作为误差项分布参数。

有益效果：

本发明的压力扫描阀，通过分时采样原理，能够实现64通道快速压力测量，且每个通道的采样频率高于200Hz；

本发明的压力扫描阀，每个通道的压力测量误差低于0.055%，压力测量准确度高；

本发明的压力扫描阀，尺寸小，长宽高分别是mm，便于安装在空间狭小的应用环境中，如发动机、变速箱、增压机等设备上。

附图说明

图1为本发明的压力扫描阀的内部结构示意图；

图2为本发明的压力扫描阀爆炸结构图；

图3为本发明的压力扫描阀的电连接器接口示意图；

图4为本发明的总电路设计框图；

图5为本发明的电源电路示意图；

图6为本发明的扩散硅压力敏感芯体信号放大电路原理图；

图7为本发明的信号处理电路原理图；

图8为本发明的通信电路原理图；

图9为本发明的滑块结构示意图；

其中，1为电连接器，2为外壳，3为信号处理电路板，4为引压管，5为扩散硅压力敏感芯体，6为通道切换开关，7为压力测量板，8为销钉，9为压力测量模块，10为压力主体，21为上盖板，211为上盖板固定螺钉，22为底板，221为底板固定螺钉，23为左挡块，24为右挡块，25为滑块，41为滑块驱动管，42为校准导气管，251为第一气孔，252为第二气孔，253为第三气孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀及其压力检测方法做进一步的说明和解释。

一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，包括：电连接器1、外壳2、压力主体10、信号处理电路板3；所述外壳2一侧固定设置电连接器1，外壳2另一侧固定设置压力主体10，压力主体10用于检测介质压力并反馈压力信息至信号处理电路板3，外壳2内设有信号处理电路板3，用于接收和处理压力信息；信号处理电路板3与电连接器1连接，电连接器1作为所述压力扫描阀的信号输出端口，输出信号处理电路板3处理后的压力信息；

所述压力主体10包括上盖板21、底板22、左挡块23、右挡块24、滑块25、引压管4、压力测量模块9；上盖板21、底板22、左挡块23、右挡块24和前后对称设置的压力测量模块9固定后围成一个腔体，腔体内容纳滑块25，滑块25在底板22上左右滑动，实现校准模式和测量模式的切换；滑块25上表面和前后左右表面设有若干个气孔，上表面的每个气孔均与前表面、后表面、左表面或右表面的气孔形成导通的气体通路；所述上盖板21上引出若干个引压管4、滑块驱动管41和校准导气管42，滑块25滑动接触右挡块24时，滑块上表面存在与引压管的出气端一一对应的第一气孔251，第一气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔一一导通，与压力测量模块接触，形成若干路压力检测通道，实现测量模式，滑块滑动接触左挡块时，校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔252导通，第二气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔导通，与压力测量模块接触，实现校准模式，滑块驱动管的出气端与滑块上表面两端的第三气孔253导通，第三气孔在滑块内部分别与滑块左/右表面的气孔一一导通，用于通过从滑块驱动管处向扫描阀内部进气，控制滑块左右移动。

压力测量模块9的一侧设有电气接口，与信号处理电路板3接触，用于传递采集的压力信息；所述压力测量模块9围成腔体的内侧设有若干气孔，所有压力测量模块9内侧的气孔与滑块25前表面或后表面的气孔一一对应；每个压力测量模块9内部设有压力测量板7，压力测量板7上设有若干个扩散硅压力敏感芯体5和与扩散硅压力敏感芯体5连通的通道切换开关6，压力测量模块9的每个气孔底部即为扩散硅压力敏感芯体5，所述扩散硅压力敏感芯体5用于通过通道切换开关6从电气接口输出压力信息；扩散硅压力敏感芯体5的型号为PXP21；

本发明的工作过程为：如附图4所示，在进行压力检测时，扩散硅压力敏感芯体5将压力变化过程转化为自身的电阻变化过程，通过信号处理电路板3上的电路将电阻变化过程转化为电压变化过程，并进行信号放大、模数转换后输出。

所述信号处理电路板3上设有电源电路和通过电源电路供电的扩散硅压力敏感芯体信号放大电路、信号处理电路和通信电路；扩散硅压力敏感芯体信号放大电路将扩散硅压力敏感芯体检测的压力信息放大后，输入至信号处理电路，并通过通信电路输出。

如附图5所示，所述电源电路通过低压差线性稳压器输出3.3VDC电压，即AVDD；电源电路包括稳压芯片U1，稳压芯片U1的引脚1输入5.5V直流电压，稳压芯片U1的引脚2和引脚3短接后通过电阻R1与稳压芯片U1的引脚4连接，稳压芯片U1的引脚5通过电阻R3接地，稳压芯片U1的引脚5通过电阻R3和电容C1接5.5V直流电压，稳压芯片U1的引脚7分别通过电阻R5和电容C3接地，稳压芯片U1的引脚8和引脚11接地，稳压芯片U1的引脚9和引脚10短接后，输出3.3VDC，且通过电容C2接地，稳压芯片U1的引脚6通过电阻R4接地，稳压芯片U1的引脚6通过电阻R2与稳压芯片U1的引脚9连接；在电源电路中，电容C1作为输入端旁路电容，电容C2用于输出端的纹波抑制。

如附图6所示，扩散硅压力敏感芯体信号放大电路包括八个模数芯片U3，每个模数芯片U3用于实现一个压力测量模块9中的8路压力信息的信号放大；模数芯片U3的型号为ADS131M；

模数芯片U3的引脚30通过电阻R11与AIN0N信号连接，模数芯片U3的引脚29通过电阻R12与AIN0P信号连接，模数芯片U3的引脚30通过电容C7与模数芯片U3的引脚29连接；模数芯片U3的引脚31通过电阻R13与AIN1N信号连接，模数芯片U3的引脚32通过电阻R16与AIN1P信号连接，模数芯片U3的引脚31通过电容C9与模数芯片U3的引脚32连接；模数芯片U3的引脚2通过电阻R17与AIN2N信号连接，模数芯片U3的引脚1通过电阻R18与AIN2P信号连接，模数芯片U3的引脚2通过电容C10与模数芯片U3的引脚1连接；模数芯片U3的引脚3通过电阻R20与AIN3N信号连接，模数芯片U3的引脚4通过电阻R21与AIN3P信号连接，模数芯片U3的引脚3通过电容C11与模数芯片U3的引脚4连接；模数芯片U3的引脚6通过电阻R22与AIN4N信号连接，模数芯片U3的引脚5通过电阻R25与AIN4P信号连接，模数芯片U3的引脚6通过电容C12与模数芯片U3的引脚5连接；模数芯片U3的引脚7通过电阻R26与AIN5N信号连接，模数芯片U3的引脚8通过电阻R27与AIN5P信号连接，模数芯片U3的引脚7通过电容C13与模数芯片U3的引脚8连接；模数芯片U3的引脚10通过电阻R28与AIN6N信号连接，模数芯片U3的引脚9通过电阻R29与AIN6P信号连接，模数芯片U3的引脚10通过电容C14与模数芯片U3的引脚9连接；模数芯片U3的引脚11通过电阻R30与AIN7N信号连接，模数芯片U3的引脚12通过电阻R32与AIN7P信号连接，模数芯片U3的引脚11通过电容C15与模数芯片U3的引脚12连接；其中，AIN0N信号、AIN0P信号表示一个扩散硅压力敏感芯体5的压力信息，以此类推；

模数芯片U3的引脚15连接3.3VDC，模数芯片U3的引脚23连接CLKOUT信号，模数芯片U3的引脚19连接SCLK信号，模数芯片U3的引脚17连接CS信号，模数芯片U3的引脚21连接DIN信号，模数芯片U3的引脚20连接DOUT信号；模数芯片U3的引脚18连接DRDY信号；模数芯片U3的引脚16连接RESET1信号；

所述扩散硅压力敏感芯体信号放大电路的工作原理为：模数芯片U3采用3.3VDC恒压供电方式工作，扩散硅压力敏感芯体5感受到外部压力输出的微弱电压信号，为将微弱的压力电压信号放大，选用模数芯片U3将压力信号放大并转为SPI信号输出，包括模数芯片U3的引脚17输出的CS信号，引脚19输出的SCLK信号，引脚20输出的DOUT信号和引脚21的DIN信号；

如附图7所示，所述信号处理电路包括处理芯片U5，处理芯片U5的型号为STM32G431KBT6；处理芯片U5的引脚25、引脚26、引脚27、引脚28、引脚29和引脚30分别与模数芯片U3的引脚17、引脚19、引脚20、引脚21、引脚18和引脚16连接；

如附图8所示，所述通信电路包括通信芯片U6，通信芯片U6的型号为LTC2851MPMS8#PBF，通信芯片U6的引脚2、引脚3分别与处理芯片U5的引脚20、引脚19连接，通信芯片U6的引脚7连接B信号，通信芯片U6的引脚8连接A信号，通信芯片U6的引脚5连接Y信号，通信芯片U6的引脚6连接Z信号，通信芯片U6的引脚5通过电阻R36和通信芯片U6的引脚6连接。其中，A信号和B信号组成RS422通信的电平输入差分对，Y信号和Z信号组成电平输出差分对。

压力扫描阀通过芯片U5的引脚5、引脚10和引脚11实现通道切换，通过3个bit位控制8个通道的切换，通道0导通，则地址码为0，当通道1导通，则地址码为1，...，当通道7导通，则地址码设置为7。通道切换发生在在8路同步采集完成后切换至下一个8路同步采集。本发明的压力扫描阀，通过分时采样原理，能够实现64通道快速压力测量，且每个通道的采样频率高于200Hz。

一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀的压力检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、出厂压力校准：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触左挡块，使得校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，校准导气管向所有测量通道导入气体，所有测量通道的气压相同，进行压力校准；

步骤S2、计算压力补偿参数：进行若干次周期的压力测量，根据实际压力测量结果进行最小二乘拟合获取测量通道之间的压力干扰，即误差项分布参数，根据误差项分布参数构建校准矩阵；校准矩阵中第i行j列的校准元素的计算公式为：

，

其中，为校准矩阵中第i行j列的校准元素，/>为第i行j列的通道位置，为尺度参数，/>为形状参数，/>为位置参数，/>、/>、/>作为误差项分布参数。

步骤S3、压力测量及校准输出：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触右挡块，使得滑块上表面的第一气孔与引压管的出气端一一对应，进行压力测量，根据实际压力测量结果和校准矩阵计算输出校准后的压力测量结果。

校准后的压力测量结果的计算公式为：

，

其中，为第i行j列测量通道的压力测量校准后结果，/>为第i行j列测量通道的实际压力测量结果，i表示横向的第i个测量通道，且/>，/>为测量通道横向间隔数量，j表示纵向的第j个测量通道，且/>，/>为测量通道纵向间隔数量，P表示I行J列的实测压力矩阵，/>，C是一个I行J列的校准矩阵，即步骤S2中得到的校准矩阵。

实施例

本实施例中，如附图1和附图2所示，外壳2的一侧设有电连接器1，电连接器1作为所述压力扫描阀的信号输出端口，外壳2内设有信号处理电路板3，用于接收和处理压力测量模块9输出的压力信息；信号处理电路板3与电连接器1电气连接，用于将信号处理电路板3处理后的压力信息通过电连接器1输出；

电连接器1的结构示意图如附图3所示，电连接器1为15引脚的输出端口，去电气连接分配表如表1所示：

表 1 压力扫描阀电连接器电气连接分配表

所述压力芯体10包括若干个压力测量模块9，压力测量模块9为偶数个，在本实施例中，压力测量模块9的个数为4个，所述压力测量模块9用于测量介质压力，一个压力测量模块9用于采集16个通道的压力，压力测量模块9的一侧设有电气接口，用于传递采集的压力信息；

外壳2的另一侧通过外壳固定螺钉101与压力芯体10连接，保证信号处理电路板3与压力测量模块9的电气接口充分接触；

所述压力主体10包括上盖板21、底板22、左挡块23、右挡块24、滑块25、引压管4、压力测量模块9；上盖板21、底板22、左挡块23、右挡块24和前后对称设置的压力测量模块9围成一个腔体，腔体内容纳滑块25，左挡块23、右挡块24作为滑块25的限位装置，滑块25在底板22上左右滑动，实现校准模式和测量模式的切换；如附图9所示，滑块25上表面设有64个第一气孔251，前后表面各设有32个气孔，上表面的每个第一气孔251均与前表面或后表面的气孔形成导通的气体通路，形成测量通道；所述上盖板21上引出64个引压管4、2个滑块驱动管41和2个校准导气管42，引压管4的出气端与滑块25上表面的第一气孔251一一对应；滑块驱动管41的出气端与滑块上表面两端的第三气孔253导通，第三气孔253在滑块内部分别与滑块左/右表面的气孔一一导通，用于通过从滑块驱动管处向压力扫描阀内部进气，控制滑块左右移动。

当右侧的滑块驱动管41进气时，滑块25被推向校准端，即触碰左挡块23，校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔252导通，2个校准导气管42为所有压力检测通道提供相同压力，实现64通道的压力校准，进入校准模式，测量介质气体被输入到校准导气管42的进气口后，气体经由滑块25内部气孔输送到64个压力芯片测量气孔内，此时64个测量通道的气压相同，皆为校准导气管42的进气口输入气压值；当左侧的滑块驱动管41进气时，滑块25被推向测量端，即触碰右挡块24时，上盖板21上的1-64个引压管4分别对应64路通道，引压管4的出气端与滑块25上表面的第一气孔251一一对应，64路通道分别对应一个测量通道，实现64通道的压力测量，进入测量模式；

压力测量模块9的一侧设有电气接口，与信号处理电路板3接触，用于传递采集的压力信息；每个压力测量模块9围成腔体的内侧设有16个气孔，所有压力测量模块9内侧的64个气孔与滑块25前表面或后表面的气孔一一对应，直接测量64路介质压力；每个压力测量模块9内部设有压力测量板7，压力测量板7上设有16个扩散硅压力敏感芯体5和与扩散硅压力敏感芯体5连通的2个通道切换开关6，压力测量模块9的每个气孔底部即为扩散硅压力敏感芯体5，所述扩散硅压力敏感芯体5用于通过通道切换开关6从电气接口输出压力信息；

压力测量模块9左右两侧各通过一个销钉8固定在左挡块23、右挡块24上，用于固定压力测量模块，确保压力测量模块9与左挡块23、右挡块24之间的密封圈处能够完全密封；

滑块25通过上盖板固定螺钉211与上盖板21固定连接，通过底板固定螺钉221与底板22固定连接，确保上盖板21、底板22与滑块25之间的密封。

本发明的压力扫描阀，尺寸小，长宽高分别是mm，便于安装在空间狭小的应用环境中，如发动机、变速箱、增压机等设备上。

本发明所述的压力扫描阀是微型压力扫描阀，由于其尺寸的限制，扩散硅压力敏感芯体之间的距离间隔非常狭小，往往只有2mm，本发明将16个扩散硅压力敏感芯体设计在一个电路板上，这样的设计使得相邻扩散硅压力敏感芯体之间的距离间隔不足1.5mm，这是出于对空间利用的高效性和紧凑性的考虑。在压力扫描阀输入气体压力较大时，很容易造成通道间信号的相互串扰，从而降低扫描阀测量的准确性。此外这种高度紧凑的布局也引发了一个突出的问题，即在某个通道中输入气体压力较大的情况下，滑块中的陶瓷基板受压形变，导致通道之间的信号可能会相互干扰，从而产生了信号串扰的现象。

当微型压力扫描阀承受较高压力时，扩散硅压力敏感芯体之间的距离虽小，但压力信号在通道之间传递的路径并非简单直线。相反，它们在狭小空间内可能会经历多次反射和折射，使得相邻扩散硅压力敏感芯体之间的压力信号相互交叉，产生不可忽视的干扰。此外，由于电路板的设计紧凑，各扩散硅压力敏感芯体之间的线路可能十分接近，导致电磁信号相互影响的可能性大大增加。这种情况下，即使微弱的信号也可能被相邻通道的强信号所掩盖，从而干扰了压力测量的准确性。

此外，还存在一些难以避免的信号传导问题。即便是微小的电磁信号也可能在陶瓷基板中传导，进一步加剧了信号之间的相互干扰。这种相互影响可能会导致相邻扩散硅压力敏感芯体的压力信号产生偏差，使得测量精度的下降。

为了解决微型压力扫描阀在高压情况下通道间信号相互串扰的问题，本发明提出了一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀的压力检测方法，进行通道间压力测量影响分布的压力测量自校准，该方法通过对实测数据的分析，获取了每个压力通道在单独测量时对周围通道的干扰，并通过曲线拟合确定了误差项随着通道物理位置间隔的分布规律及其参数。

一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀的压力检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、出厂压力校准：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触左挡块，使得校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，校准导气管向所有测量通道导入气体，所有测量通道的气压相同，进行压力校准；

步骤S2、计算压力补偿参数：进行若干次周期的压力测量，对实际测量数据进行详细分析，以获取每个压力通道在单独测量时对周围通道的干扰情况，包括测量时的压力变化及其对相邻通道的影响。根据实际压力测量结果进行最小二乘拟合获取测量通道之间的压力干扰，即误差项分布参数，根据误差项分布参数构建校准矩阵；

本实施例中，基于实测数据的分析结果，采用曲线拟合的方法，确定误差项随着通道物理位置间隔的分布形式以及相应的分布参数。假设误差项随通道间距离的变化符合某种数学模型，可以表示为：/>，其中/>是模型的参数。

例如，可以采用指数衰减模型：

，

其中，是拟合的参数，表示误差项随距离/>的衰减速度。距离/>为待测通道与其他通道之间的距离。

考虑每个扫描周期内压力测量结果通道间干扰的分布特征，本实施例设计了五种具有相似特征的分布模型，来取代指数衰减模型，并对100个周期的压力测量误差分布进行了最小二乘拟合。这五种模型分别为Exponential分布、Gamma分布、GEV分布、Loglogistic分布和Half-Normal分布，其表达式详见表 2。拟合过程中使用的最小二乘误差定义式为：

，

表2 分布函数表达式

为压力测量结果在不同统计区间的概率值，/>为分布模型拟合得到的在相同区间的概率值。基于五种PDF分布模型，对100组统计周期内的体重分布结果进行拟合，本发明根据分析结果可以得知，GEV分布拟合结果最接近实际压力测量通道耦合误差分布，指数分布、伽玛分布、对数逻辑分布和半正态分布与实测数据差异较大。

由实测数据的分析结果可知，GEV分布拟合结果最接近实际压力测量通道耦合误差分布，即：

，

为尺度参数，/>为形状参数，/>为位置参数，这三个参数均与陶瓷基板随着不同压力的变化后产生的形变相关，陶瓷基板一般随着气压的变化趋势是固定的，因此只需要在出厂时校准一次即可；在参数存储时，将拟合得到的误差项分布参数/>、/>、/>存储在信号处理电路的芯片U5中，以备后续使用。

因此，本发明中校准矩阵中第i行j列的校准元素的计算公式为：

，

其中，为校准矩阵中第i行j列的校准元素，/>为第i行j列的通道位置，为尺度参数，/>为形状参数，/>为位置参数，/>、/>、/>作为误差项分布参数。

步骤S3、压力测量及校准输出：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触右挡块，使得滑块上表面的第一气孔与引压管的出气端一一对应，进行压力测量，根据实际压力测量结果和校准矩阵计算输出校准后的压力测量结果。

校准后的压力测量结果的计算公式为：

，

其中，为第i行j列测量通道的压力测量校准后结果，/>为第i行j列测量通道的实际压力测量结果，i表示横向的第i个测量通道，且/>，/>为测量通道横向间隔数量，j表示纵向的第j个测量通道，且/>，/>为测量通道纵向间隔数量，P表示I行J列的实测压力矩阵，/>，C是一个I行J列的校准矩阵，即步骤S2中得到的校准矩阵。

本发明充分利用了实际测量数据的信息，通过曲线拟合确定了误差项随通道物理位置间隔的分布规律及其参数。通过实时校准，有效地抵消了通道间信号相互干扰引起的测量误差，从而提升了微型压力扫描阀的测量准确性，能够将校准前通道的测量误差0.08%提升到0.055%。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，其特征在于，包括：电连接器、外壳、压力主体、信号处理电路板；所述外壳一侧固定设置电连接器，外壳另一侧固定设置压力主体，压力主体用于检测介质压力并反馈压力信息至信号处理电路板，外壳内设有信号处理电路板，用于接收和处理压力信息；信号处理电路板与电连接器连接，电连接器作为所述压力扫描阀的信号输出端口，输出信号处理电路板处理后的压力信息；

所述压力主体包括上盖板、底板、左挡块、右挡块、滑块、引压管、压力测量模块；上盖板、底板、左挡块、右挡块和前后对称设置的压力测量模块固定后围成一个腔体，腔体内容纳滑块，滑块在底板上左右滑动，实现校准模式和测量模式的切换；滑块上表面和前后左右表面设有若干个气孔，上表面的每个气孔均与前表面、后表面、左表面或右表面的气孔形成导通的气体通路；所述上盖板上引出若干个引压管、滑块驱动管和校准导气管，滑块滑动接触右挡块时，滑块上表面存在与引压管的出气端一一对应的第一气孔，第一气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔一一导通，与压力测量模块接触，形成若干路压力检测通道，实现测量模式，滑块滑动接触左挡块时，校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，第二气孔在滑块内部分别与滑块前/后表面的气孔导通，与压力测量模块接触，实现校准模式，滑块驱动管的出气端与滑块上表面两端的第三气孔导通，第三气孔在滑块内部分别与滑块左/右表面的气孔一一导通，用于通过从滑块驱动管处向压力扫描阀内部进气，控制滑块左右移动；

多通道压力扫描阀的压力检测方法，包括以下步骤：

步骤S1、出厂压力校准：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触左挡块，使得校准导气管的出气端与滑块上表面的第二气孔导通，校准导气管向所有测量通道导入气体，所有测量通道的气压相同，进行压力校准；

步骤S2、计算压力补偿参数：进行若干次周期的压力测量，根据实际压力测量结果进行最小二乘拟合获取测量通道之间的压力干扰，即误差项分布参数，根据误差项分布参数构建校准矩阵；

步骤S3、压力测量及校准输出：向滑块驱动管的进气端通气，控制滑块接触右挡块，使得滑块上表面的第一气孔与引压管的出气端一一对应，进行压力测量，根据实际压力测量结果和校准矩阵计算输出校准后的压力测量结果；

所述步骤S2中校准矩阵中第i行j列的校准元素的计算公式为：

，

其中，为校准矩阵中第i行j列的校准元素，/>为第i行j列的通道位置，/>为尺度参数，/>为形状参数，/>为位置参数，/>、/>、/>作为误差项分布参数。

2.根据权利要求1所述的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，其特征在于：所述压力测量模块的一侧设有电气接口，与信号处理电路板接触，用于传递采集的压力信息；所述压力测量模块围成腔体的内侧设有若干气孔，所有压力测量模块内侧的气孔与滑块前表面或后表面的气孔一一对应；每个压力测量模块内部设有压力测量板，压力测量板上设有若干个扩散硅压力敏感芯体和与扩散硅压力敏感芯体连通的通道切换开关，压力测量模块的每个气孔底部即为扩散硅压力敏感芯体，所述扩散硅压力敏感芯体用于通过通道切换开关从电气接口输出压力信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，其特征在于：所述信号处理电路板上设有电源电路和通过电源电路供电的扩散硅压力敏感芯体信号放大电路、信号处理电路和通信电路；

所述扩散硅压力敏感芯体信号放大电路包括八个模数芯片U3，每个模数芯片U3用于实现一个压力测量模块中的8路压力信息的信号放大；模数芯片U3的引脚30通过电阻R11与AIN0N信号连接，模数芯片U3的引脚29通过电阻R12与AIN0P信号连接，模数芯片U3的引脚30通过电容C7与模数芯片U3的引脚29连接；模数芯片U3的引脚31通过电阻R13与AIN1N信号连接，模数芯片U3的引脚32通过电阻R16与AIN1P信号连接，模数芯片U3的引脚31通过电容C9与模数芯片U3的引脚32连接；模数芯片U3的引脚2通过电阻R17与AIN2N信号连接，模数芯片U3的引脚1通过电阻R18与AIN2P信号连接，模数芯片U3的引脚2通过电容C10与模数芯片U3的引脚1连接；模数芯片U3的引脚3通过电阻R20与AIN3N信号连接，模数芯片U3的引脚4通过电阻R21与AIN3P信号连接，模数芯片U3的引脚3通过电容C11与模数芯片U3的引脚4连接；模数芯片U3的引脚6通过电阻R22与AIN4N信号连接，模数芯片U3的引脚5通过电阻R25与AIN4P信号连接，模数芯片U3的引脚6通过电容C12与模数芯片U3的引脚5连接；模数芯片U3的引脚7通过电阻R26与AIN5N信号连接，模数芯片U3的引脚8通过电阻R27与AIN5P信号连接，模数芯片U3的引脚7通过电容C13与模数芯片U3的引脚8连接；模数芯片U3的引脚10通过电阻R28与AIN6N信号连接，模数芯片U3的引脚9通过电阻R29与AIN6P信号连接，模数芯片U3的引脚10通过电容C14与模数芯片U3的引脚9连接；模数芯片U3的引脚11通过电阻R30与AIN7N信号连接，模数芯片U3的引脚12通过电阻R32与AIN7P信号连接，模数芯片U3的引脚11通过电容C15与模数芯片U3的引脚12连接；

模数芯片U3的引脚23连接CLKOUT信号，模数芯片U3的引脚19连接SCLK信号，模数芯片U3的引脚17连接CS信号，模数芯片U3的引脚21连接DIN信号，模数芯片U3的引脚20连接DOUT信号；模数芯片U3的引脚18连接DRDY信号；模数芯片U3的引脚16连接RESET1信号。

4.根据权利要求3所述的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，其特征在于：所述信号处理电路包括处理芯片U5，处理芯片U5的引脚25、引脚26、引脚27、引脚28、引脚29和引脚30分别与模数芯片U3的引脚17、引脚19、引脚20、引脚21、引脚18和引脚16连接；通信电路包括通信芯片U6，通信芯片U6的型号为LTC2851MPMS8#PBF，通信芯片U6的引脚2、引脚3分别与处理芯片U5的引脚20、引脚19连接，通信芯片U6的引脚7连接B信号，通信芯片U6的引脚8连接A信号，通信芯片U6的引脚5连接Y信号，通信芯片U6的引脚6连接Z信号，通信芯片U6的引脚5通过电阻R36和通信芯片U6的引脚6连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于压力敏感芯体的多通道压力扫描阀，其特征在于，所述步骤S3中校准后的压力测量结果的计算公式为：

，

其中，为第i行j列测量通道的压力测量校准后结果，/>为第i行j列测量通道的实际压力测量结果，i表示横向的第i个测量通道，且/>，/>为测量通道横向间隔数量，j表示纵向的第j个测量通道，且/>，/>为测量通道纵向间隔数量，P表示I行J列的实测压力矩阵，/>，C是一个I行J列的校准矩阵，即步骤S2中得到的校准矩阵。