CN1243954C - 用于校正传感器漂移的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

传感器漂移校正设备(20)包括传感器组件(22)，它包括流体导管(24)，比例控制器(26)，温度传感器(28)，第一压力传感器(30)，积分控制器(32)以及第二压力传感器(34)。总线(36)把第一压力传感器(30)等连接到具有相关的内部或外部存储器(40)的微控制器(38)。在存储器(40)中包括有初始参量技术条件模块(42)，标准模式控制器模块(44)，校准条件识别模块(46)，传感器漂移校准模块(48)和传感器漂移调节模式运行模块(50)，它们一起用来识别校准命令，通过依赖于被固定在标称零电压条件的校准电压值和以后随之调节传感器输出而识别用于传感器(30，34)的标称零压力漂移校正因子。

Description

用于校正传感器漂移的设备和方法
                      发明简述
本发明总的涉及传感装置。更具体地，本发明涉及校正传感器中的漂移的技术。
                      发明背景
压电电阻或电容传感器产生正比于施加到其上的物理力的、电阻或电容的改变量。这样的传感器通常被放置在硅膜片上，以测量硅膜片的偏转。
在这样的传感器的组件方面，有许多问题。例如，基于硅的压电电阻压力传感器通过非常软的、可塑的粘合剂而被附着到一个组件或基片上，以使得没有残余的应力或力从该组件发送到传感器。假如有应力发送到传感器，传感器的膜片被偏转，在传感单元处产生测量的电阻值，它错误地表示测量的压力的改变。来自附着的处理过程的应力根据压力感应的膜片偏转的方向和大小可以加或减这个电阻改变。通常，最常被接受的校正技术适当地补偿由于制造偏差和把传感器附着到刚性基座的必要性造成的压力传感器的非理想特性。
当由于附着材料的应力消除，来自附着处理过程的应力随时改变时，现有的校正技术出现一个问题。这个应力消除可以是由于传感器的暴露，传感器环境的改变，附着的材料的改变，和/或基座对各不相同的压力和/或温度的改变而造成的。假如基座、传感器、和附着材料在热膨胀方面没有紧密地匹配，则任何温度偏离额定值将产生正比于温度膨胀的差值的、材料的应力差值和温度差值。在小片附着材料是粘弹性物质的情形下，它将随时流动，以便减小应力。这显然对压电电阻膜片有影响，也随时改变电阻值。
典型的校正方法不能计及上述的电阻值的改变特性。大多数传感器的电阻是温度和压力的函数。对这种实际活动建立模型的一个方法是使用以下形式的多项式公式：
P＝M0+M1*T+M2*T2+M3*T3+(M4+M5*T+M6*T2+M7*T3)*V+
(M8+M9*T+M10*T2+M11*T3)*V2+
(M12+M13*T+M14*T2+M15*T3)*V3                   (公式I)
P是加到膜片上的差分压力。每个M项是导出的系数。T是传感器膜片的温度。V是传感器结构的电阻的测量值。例如，V可以是由通过压电电阻元件的恒定电流产生的电压。
对于适配特定的压力传感器所需要的多项式的阶数取决于各个制造过程、附着技术、和所需要的精度。对于压力和温度的二阶适配通常已足够，虽然有时需要对于压力的二阶适配和对于温度的三阶适配。
当使用非刚性小片附着材料时，公式I的M0项典型地随时间和温度改变。这个项通常称为“偏移”，这是指在大多数传感器中，当压力是“零”时，膜片没有偏转，但仍旧有非零信号。这即使对于使用惠斯顿电桥电阻配置的传感器也是这样的，理想地，它可被设计为给出零信号，但由于制造公差，将产生小的信号。
这种老化现象可产生约0.5psi(磅/英寸2)的信号电平偏移。这种偏移或漂移在感兴趣的整个压力范围内是相对恒定的。在40psi的压力水平时，这相当于1.25％的误差，而在5psi时，这相当于10％的误差。这样的误差在大多数应用项中是不能接受的。
由顾客重新校正已漂移的压力传感器是不现实的或不可接受的。因此，特别希望提供具有校正漂移的能力的、改进的传感装置。理想地，这样的传感器响应于由本领域的顾客引用的相对较简单的条件组，自动地自校正漂移。透彻的技术可以补偿漂移因素，诸如传感器老化，作为电压和温度条件的函数。
                      发明概要
传感器中校正漂移的方法包括识别校正命令的步骤。用于传感器的标称零压力传感器漂移校正因子是通过依赖于被固定在标称零压力条件下的校正电压值和校正温度值而被识别的。传感器输出随后按照标称零压力传感器漂移校正因子被调节。
本发明的设备包括微控制器和相关的电子装置，它被配置来响应于被固定在标称零压力条件下的校正电压值和校正温度值确定用于传感器的标称零压力传感器漂移校正因子。传感器输出随后由微控制器按照标称零压力传感器漂移校正因子进行修正。
本发明提供校正压电电阻和电容传感器中的漂移的改进的技术。该技术响应于相对较简单的条件组，自动地自校正漂移。有利地，该技术可补偿漂移因素，诸如传感器老化，作为在标称零压力条件下测量时的电压和温度条件的函数。零压力传感器漂移校正因子然后被应用到其它压力条件，达到传感器漂移的校正。
                      附图简述
为了更好地了解本发明，应当结合附图参考以下的详细说明，其中：
图1示出按照本发明的实施例构建的传感器漂移校准和校正设备。
图2显示可按照本发明被利用的计量传感器。
图3显示按照本发明的实施例被利用的、传感器和伴随的电桥电路。
图4显示按照本发明的实施例执行的、传感器漂移校准和校正处理步骤。
图5显示与图4的第一处理步骤有关的处理步骤。
图6显示与图4的、倒数第二处理步骤有关的处理步骤。
相同的标号在所有图上是指相应的部件。
                 发明详细描述
图1显示按照本发明的实施例的、传感器漂移校正设备20。设备20包括传感器组件22。因为本发明建立对于传感器漂移的校正，传感器组件22可以是非密封的组件。
组件22包括流体可通过的导管24。导管24具有一个或多个功能性装置，来监视或控制所通过的流体。例如，组件22可被实施为包括比例控制器26，温度传感器28，第一压力传感器30，积分控制器32，以及第二压力传感器34。本发明针对压力传感器的运行，诸如第一压力传感器30和第二压力传感器34。本领域技术人员将会看到，每个压力传感器可以结合图1所示的那种功能性装置，或结合功能性装置的其它组合，被运行来建立装置，诸如质量流控制器，压力控制器，质量计，或压力计。
来自位于组件22内的各个功能性单元的信号，通过单独的线或总线36被分路到微控制器38(它包括相关的电子装置，如有必要)。微控制器38执行被存储在内部或外部存储器40的一组程序。替换地，微控制器38和存储器40可以是专用集成电路(ASIC)，场可编程逻辑器件(FPLD)，或本领域技术人员已知的其它等价的器件。不管实施方案，按照本发明执行一组指令。
如图1所示，指令组总的特征为包括初始参量技术条件模块42，标准模式控制器模块44，校准条件识别模块46，传感器漂移计算模块48和传感器漂移调节模式运行模块50。下面讨论这些模块的每个模块的功能。
图2是按照本发明利用的压力传感器30(或34)的放大的侧视图。传感器30包括带有可偏转的膜片61的微机的计量传感器60。计量传感器60通过非刚性粘合剂63被附着到基片62。由导管24中的流体产生的压力，由箭头64表示，运行来偏转膜片61。外界的压力，由箭头65表示，抵消来自流体的压力。对于以下的讨论，假定周围的压力为已知的常数。理想地，不存在外界的压力：也就是在计量传感器60的外部是真空、压电电阻或电容单元66响应于膜片61的偏转改变电阻值。从单元66产生的信号通过引线68从计量传感器60传送出。
图3是传感器30的顶视图。图上显示计量传感器60和放置在其上的压电电阻或电容单元66的顶部。压电电阻单元66作为电阻运行，形成熟知的电桥电路69的一部分。电桥电路69包括电阻R1，R2，R3和R4。电桥电路69可以被形成在被放置在传感器60上的膜片中。输出信号+Vout和-Vout被分路到微控制器38。使用电桥电路69和相关的计量传感器60以得到表示电阻的改变的信号，在技术上是熟知的。在技术上也知道如何把电阻的改变映射到相应于在管道64中的流体的压力的压力值。本发明并不针对这些已知的技术，而是本发明针对处理这样的信号，以便补偿和校正与诸如计量传感器60那样的传感器有关的漂移。
与本发明有关的处理步骤是结合图4描述的。图4所示的初始处理步骤是根据标称零压力条件确定初始参量(步骤70)。这个操作步骤可以由初始参量技术条件模块42协调。这个操作步骤的特征在于图5。
转到图5，在确定初始参量时的第一步骤是在监视的管道中创建标称零压力条件(步骤72)。也就是，低的或零压力条件被加到组件22的管道24。然后，测量的电压和温度值被固定在标称零压力条件(步骤74)。也就是，电桥电路69被使用来得出测量的电压信号，以及温度传感器28被使用来得出温度值。每个这些信号通过总线36被加到微控制器38。
零压力值，测量的电压值，和测量的温度值然后被插入到压力规定的多项式，诸如公式I(步骤76)。在多项式中需要的系数的数目规定所需要的压力和温度组合的数目。例如，V3XT3需要16个数据点。这典型地通过测量在四个温度的每个温度时的四个压力而得到的。优选地，四个温度跨越和稍微超过运行的温度范围。同样地，四个压力跨越和稍微超过运行的压力范围。压力点之一应当是“零”，它在这里被定义为低于约10乇(torr)的压力(小于0.2psia)。因此，步骤76打算插入零压力项，在零压力时的测量的电压值，以及在零压力时的温度值，加上附加的非零压力电压和温度值，正如对于达到多项式的适当的配合所需要的。对于测量的压力和电压值的以后的参考值包括多个测量的压力和电压值，正如可能需要的。
微控制器38，在初始参量技术条件模块42的控制下，随后根据零压力值，一个或多个测量的电压值和一个或多个测量的温度值，计算对于压力规定的多项式的系数(步骤78)。这导致完全表示的压力规定的多项式，它被存储在存储器40中。替换地，分开的计算机被使用来执行这个计算，完全表示的压力规定的多项式的系数被下载到存储器40中。
带有系数MO-M15的、公式I的多项式借助于例子被提供。其它的多项式可被使用，以及任何数目的技术可被使用来适配对于测量数值的多项式系数。
再次转到图4，下一个处理步骤是在标准模式下运行传感器(步骤80)。在标准模式下，正如由标准模式控制模块44控制的，测量电压和温度值被插入到压力规定的多项式中，例如公式I中，以及压力(P)由微控制器38计算。
压力传感器30在扩展的时间间隔内可以运行在这个模式。然而，实际上，传感器30的精度将开始漂移。因此，必须进行校正。按照本发明，微控制器38被配置来识别校准命令(步骤82)。例如，微控制器38的校准条件识别模块可被配置来在大于30秒的时间间隔内识别以小于10乇的压力信号的形式的校准命令和被给予比例控制器26和积分控制器36的5伏满量程的命令。加到与传感器有关的功能性元件的其它外部条件也可被使用，正如本领域技术人员将会看到的。响应于这样的条件，确定标称零压力传感器漂移校正因子。与这个操作有关的处理是在图6上公开的。
图6所示的第一步骤是在监视的管道中创建标称零压力条件(步骤72)。这是在图5上描述的相同的步骤。测量的电压和温度值然后被固定在标称零压力条件(步骤74)。这个步骤类似于在图5上描述的步骤，但在本事例中，测量的电压值将可能是不同于初始的读数，反映传感器60的漂移。微控制器38，结合传感器漂移计算模块48运行，然后输出标称零压力传感器漂移校正因子，诸如电压项V(P＝0，t＝j，T＝k)，表示在零压力条件(P＝0)在时间j(t＝j)温度(T＝k)下的电压值V。替换地，压力项可被用作为输出，诸如压力项P(P＝0，t＝j，T＝k)，表示在零压力条件(P＝0)在时间j(t＝j)和温度(T＝k)下的压力值P。
转到图4，图上所示的最后处理步骤是鉴于标称零压力传感器漂移校正因子调节传感器输出(步骤88)。这个步骤可以用传感器漂移调节模式操作模块50来实施。如上所述，标称零压力传感器漂移校正因子可以是电压项V(P＝0，t＝j，T＝k)，或压力项P(P＝0，t＝j，T＝k)。在电压项的情况下，新的变量V*被插入到特定的压力规定的多项式。新的变量V*被表示为：
V*(P＝x，t＝j，T＝k)＝V(P＝x，t＝j，T＝k)-V(P＝0，t＝j，T＝k)  (公式II)
因此，标称零压力传感器漂移校正因子V(P＝O，t＝j，T＝k)从现在测量的电压信号V(P＝x，t＝j，T＝k)中被减去，差值被插入到特定的压力规定的多项式的电压项。而且，压力规定的多项式的第一系数M0在公式I中被设置为零。可以看到，在初始校准点(t＝0)，V*(P＝0，t＝0，T＝k)＝0。
为了考虑在零压力时电阻的温度依赖性，求解以下的多项式：
V(P＝0，t＝0，T＝k)＝N(P＝0，t＝0)+N1*Tk+N2Tk 2    (公式III)
在某个以后的时间，t＝j，测量V(P＝0，t＝j，T＝k)。然后通过使用V(P＝0，t＝0，T＝k)代替方程III中的V(P＝0，t＝j，T＝k)，解出N(P＝0，t＝j)。则：
V*(P＝x，t＝j，T＝k)＝V(P＝x，t＝j，T＝k)-(N(P＝0，t＝j)+N1*Tk+N2*Tk 2)(公式IV)
来自公式IV的V*现在结合来自公式I的原先的系数被使用来求解在时间j(t＝j)和温度k(T＝j)下的压力(P)。
回想到特定的压力规定的多项式具有由原先的零压力条件规定的系数。在这时处理的压力项(V*)考虑到在特定的温度下的传感器漂移，正如在项V(P＝0，t＝j，T＝k)中反映的。
实验证明，对于标称零压力条件(P＝0)，应当使用低于10乇的压力。如果使用较高的“零”压力，则校准的精度降低。对于以后的校准，“零”压力应当等于或低于原先的值，否则精度会降低。
以上说明了使用电压项作为传感器漂移校正因子，本领域技术人员将会看到，压力规定的多项式的初始系数组可以通过使用V*项被计算。具体地，在初始校准点(V*＝0)时的V*的数值可被插入到公式I。M0项被设置为零，以及根据零压力项、在零压力时的测量的温度、和附加的温度与压力值，计算系数值，正如确定适配所需要的。
现在已全面描述了使用电压项作为传感器漂移校正因子。如上所述。压力项也可被使用作为传感器漂移校正因子。具体地，在校准后的某个时间，原先的系数被使用来根据在该时间的“零”压力信号计算压力读数。这个压力，P(P＝0，t＝j，T＝k)，然后从以后计算的所有的压力中减去。数学上，对于其中X＞0的所有的数值，调整的压力被计算为如下：
P*(P＝x，t＝j，T＝k)＝P(P＝x，t＝j，T＝k)-P(P＝0，t＝j，T＝k) (公式V)
P(P＝x，t＝j，T＝k)以及P(P＝0，t＝j，T＝k)通过使用特定的压力规定的多项式(例如，公式I中的多项式)被计算。P*由微控制器38使用公式V被计算。然后P*被用作为实际的传感的压力。周期地，这个程序过程重复进行。也就是，得到了P(P＝0，t＝j，T＝k)，因此，算法被更新。如果使用按照公式IV的处理，则处理过程以同样的方式重复进行。
为了说明起见，以上的说明使用特定的专门术语来给出对本发明的透彻的了解。然而，本领域技术人员将会看到，为了实施本发明并不需要特定的细节。在其它事例中，熟知的电路和装置以方框图的形式来表示，以避免对于基本的发明的不必要的分心。因此，本发明的特定的实施例的上述的说明是为了说明和描述的目的给出的。这些说明不打算是穷举的，或限制本发明为所公开的精确的形式，显然，对于以上的教导，可能有许多修改方案和变例。为了最好地说明本发明的原理和它的实际应用，选择和描述了实施例，由此使得本领域其它技术人员最好地利用本发明和带有适合于打算的特定的使用的各种修改的各种实施例。本发明的范围意于由以下的权利要求和它们的等同替换来限定。

Claims (15)

1.一种校正传感器中的漂移的方法，所述方法包括以下步骤：
在与所述传感器有关的管道中创建标称零压力条件；
识别校准命令；
根据被固定在所述标称零压力条件下的校正电压值和校正温度值，确定用于所述传感器的标称零压力传感器漂移校正因子；以及
按照标称零压力传感器漂移校正因子调节传感器输出。
2.权利要求1的方法，还包括在所述识别步骤以前执行的以下的步骤：
把测量的电压值和测量的温度值固定在所述标称零压力条件；
把零压力项、所述测量的电压值和所述测量的温度值插入到压力规定的多项式；以及
计算所述压力规定的多项式的系数，以便确定特定的压力规定的多项式。
3.权利要求2的方法，其中所述调节步骤包括用所述标称零压力传感器漂移校正因子调节新的测量的电压信号以便确定补偿的电压信号的步骤。
4.权利要求3的方法，还包括把所述补偿电压信号插入到所述特定的压力规定的多项式的步骤。
5.权利要求1的方法，其中所述调节步骤包括用所述标称零压力传感器漂移校正因子调节测量的压力信号的步骤。
6.权利要求1的方法，其中所述识别步骤响应于被加到与所述传感器有关的功能性元件的预定的条件组。
7.一种校正传感器中的漂移的设备，包括：
微控制器，被配置来：
在与所述传感器有关的管道中创建标称零压力条件；
响应于被固定在所述标称零压力条件下的校正电压值和校正温度值，确定用于传感器的标称零压力传感器漂移校正因子；以及
按照标称零压力传感器漂移校正因子调节传感器输出。
8.权利要求7的设备，其中所述微控制器被配置来：
把零压力项、测量的电压值和测量的温度值插入到压力规定的多项式；以及
计算所述压力规定的多项式的系数，以便确定特定的压力规定的多项式。
9.权利要求8的设备，其中所述微控制器用所述标称零压力传感器漂移校正因子调节传感器输出，以便确定补偿的电压信号。
10.权利要求9的设备，其中所述微控制器把所述补偿电压信号插入到所述特定的压力规定的多项式。
11.权利要求9的设备，其中所述微控制器通过用所述标称零压力传感器漂移校正因子调节测量的压力信号来调节传感器输出。
12.权利要求7的设备，其中所述微控制器被配置来响应于预定的测量条件组确定所述标称零压力传感器漂移校正因子。
13.权利要求7的设备，其中所述微控制器被连接到从包含下列单元的组中选择的功能性单元：质量流控制器，压力控制器，质量计，和压力计。
14.权利要求7的设备，其中传感器包括计量传感器。
15.权利要求14的设备，还包括包含有所述计量传感器的非密封的组件。
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