DE102020207895A1 - Method and sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist, umfassend die Schritte:• Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts für einen anliegenden Druck durch Auswerten der Sensorkapazität des Drucksensors und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und• Bestimmen eines gemessenen Druckwerts aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion,wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren jeweils mit einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom aufweist und wobei das erste Polynom und das zweite Polynom jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert abhängen.Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Sensorsystem.The invention relates to a method for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor, with a sensor capacitance of the pressure sensor having a non-linear dependency on an applied pressure, comprising the steps: Generating a digitized raw measured value for an applied pressure by evaluating the sensor capacitance of the pressure sensor and using an analog-to-digital converter and• determining a measured pressure value from the digitized raw measured value by means of an assignment function, the assignment function being formed by approximating the sensor capacitance using a model based on a parallel connection of at least two plate capacitors, each with a pressure-dependent capacitance, wherein the assignment function has a quotient of a first polynomial and a second polynomial and wherein the first polynomial and the second polynomial are each at least square of the digitized raw measurement value ert depend. The invention further relates to a corresponding sensor system.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist.The invention relates to a method for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor, a sensor capacitance of the pressure sensor having a non-linear dependence on an applied pressure.
Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Sensorsystem.The invention also relates to a corresponding sensor system.
Stand der TechnikState of the art
Drucksensoren werden immer häufiger in Produkten wie Smartphones, Smartwatches, Fitness-Trackern oder bei Anwendungen im Bereich loT - Internet of Things - eingesetzt. Dabei beschränken sich die Anwendungsfälle nicht lediglich auf Wettermessungen oder das Schätzen der Höhe. Vielmehr sind auch Anwendungsfälle denkbar, bei denen beispielsweise ein sicheres Erkennen des Stockwerks eines Gebäudes durchgeführt wird, aus dem eine Notrufnummer gewählt worden ist. Dies erfordert sehr hohe Genauigkeiten. Für Fitness- und Sportanwendungen werden sogar Auflösungen im Zentimeterbereich gefordert.Pressure sensors are used more and more frequently in products such as smartphones, smartwatches, fitness trackers or in applications in the area of loT - Internet of Things. The use cases are not limited to weather measurements or the estimation of the altitude. Rather, applications are also conceivable in which, for example, the floor of a building is reliably identified from which an emergency number has been dialed. This requires very high levels of accuracy. For fitness and sports applications, resolutions in the centimeter range are required.
Aktuelle kapazitive Drucksensoren für Consumer Anwendungen bestehen meist aus einem Sensorelement, häufig einem mikromechanischen Sensorelement, und einer Sensorelektronik, in vielen Fällen implementiert in einem ASIC - Application Specific Integrated Circuit. Unter Einwirkung eines anliegenden Drucks ändert sich eine Sensorkapazität des Sensorelements. Die Sensorelektronik erfasst eine Kenngröße für die Kapazität und wandelt diese in einen digitalisierten Rohmesswert für den anliegenden Druck um. Da der Kapazitätswert der Sensorkapazität nichtlinear von dem anliegenden Druck abhängt und eine genaue mathematische Beschreibung dieses Zusammenhangs äußerst komplex und in vielen Fällen sogar nicht möglich ist, werden hierzu Approximationen benötigt. Dadurch wird ein digitalisierter Rohmesswert einem gemessenen Druckwert zugeordnet, für den ein möglichst proportionaler Zusammenhang mit dem tatsächlich anliegenden Druck besteht.Current capacitive pressure sensors for consumer applications mostly consist of a sensor element, often a micromechanical sensor element, and sensor electronics, in many cases implemented in an ASIC - Application Specific Integrated Circuit. A sensor capacitance of the sensor element changes under the action of an applied pressure. The sensor electronics record a parameter for the capacitance and convert this into a digitized raw measured value for the applied pressure. Since the capacitance value of the sensor capacitance depends non-linearly on the applied pressure and an exact mathematical description of this relationship is extremely complex and in many cases even not possible, approximations are required for this. As a result, a digitized raw measured value is assigned to a measured pressure value for which there is as proportional a relationship as possible with the pressure actually applied.
Aus der Praxis ist bekannt, die Sensorkapazität eines Drucksensors mit einem Polynom höherer Ordnung zu approximieren. Aber selbst bei einer Approximation mit einem Polynom vierter Ordnung verbleibt ein nicht unerheblicher Fehler.It is known from practice to approximate the sensor capacitance of a pressure sensor with a higher order polynomial. But even with an approximation with a fourth order polynomial, a not inconsiderable error remains.
Bei einer anderen bekannten Lösung wird der Drucksensor durch einen idealen parallelen Plattenkondensator modelliert und ein Druckwert mit einer Formel der folgenden Form umgerechnet:
Dabei ist pout der gemessene Druckwert, po ein Druckoffset, k1 und k2 Konstanten und pin der digitalisierte Rohmesswert. Allerdings bildet dieser Zusammenhang das in der Realität auftretende Verhalten ebenfalls lediglich unzulänglich ab und es verbleibt ein deutlicher Fehler.Here, pout is the measured pressure value, po is a pressure offset, k 1 and k 2 are constants and pin is the digitized raw measured value. However, this relationship also only inadequately depicts the behavior that occurs in reality and a clear error remains.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors bereit, wobei eine Sensorkapazität des Drucksensors eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck aufweist, umfassend die Schritte:
- • Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts für einen anliegenden Druck durch Auswerten der Sensorkapazität des Drucksensors und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers und
- • Bestimmen eines gemessenen Druckwerts aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion,
- • Generating a digitized raw measured value for an applied pressure by evaluating the sensor capacitance of the pressure sensor and using an analog-to-digital converter and
- • Determination of a measured pressure value from the digitized raw measured value by means of an assignment function,
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors bereit, umfassend:
- • einen kapazitiven Drucksensor mit einer Sensorkapazität, wobei die Sensorkapazität von einem anliegenden Druck nichtlinear abhängig ist,
- • einen Analog-Digital-Wandler, der zum Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts durch Digitalisieren eines durch den Drucksensor gewonnenen Rohmesswerts ausgebildet ist,
- • eine Zuordnungseinheit, die zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu dem digitalisierten Rohmesswert mittels einer Zuordnungsfunktion ausgebildet ist,
- • a capacitive pressure sensor with a sensor capacitance, whereby the sensor capacitance is non-linearly dependent on an applied pressure,
- • an analog-to-digital converter which is designed to generate a digitized raw measured value by digitizing a raw measured value obtained by the pressure sensor,
- • an allocation unit which is designed to allocate a measured pressure value to the digitized raw measured value by means of an allocation function,
In einer Ausführungsform ist dieses Sensorsystem zum Durchführen des Verfahrens ausgebildet.In one embodiment, this sensor system is designed to carry out the method.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch ein relativ einfaches Modell der Sensorkapazität eines kapazitiven Drucksensors basierend auf einer Parallelschaltung von mehreren Plattenkondensatoren mit jeweils einer druckabhängigen Kapazität das reale Verhalten der Sensorkapazität auf einen anliegenden Druck recht genau nachgebildet werden kann. Damit lässt sich eine Zuordnungsfunktion angeben, die eine relativ genaue Zuordnung eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert des kapazitiven Drucksensors ermöglicht.According to the invention, it has been recognized that a relatively simple model of the sensor capacitance of a capacitive pressure sensor based on a parallel connection of several plate capacitors, each with a pressure-dependent capacitance, allows the real behavior of the sensor capacitance to an applied pressure to be simulated very precisely. This allows an assignment function to be specified which enables a measured pressure value to be assigned relatively precisely to a raw measured value of the capacitive pressure sensor.
Eine druckabhängige Kapazität C eines idealen Plattenkondensators lässt sich dadurch beschreiben, dass sich der Plattenabstand des idealen Plattenkondensators linear mit einem anliegenden Druck p ändert. Damit kann die druckabhängige Kapazität wie folgt berechnet werden:
Dabei ist ε die Permittivität, A die Fläche der Platten und d0 der Plattenabstand im Ruhezustand. x kann als ein konstanter Faktor angesehen werden, der eine Korrelation zwischen einer Abstandsänderung und einem anliegenden Druck beschreibt.Here, ε is the permittivity, A is the area of the plates and d 0 is the plate spacing in the state of rest. x can be viewed as a constant factor that describes a correlation between a change in distance and an applied pressure.
Diese Gleichung kann nach dem Druck p aufgelöst werden:
Würde sich ein realer kapazitiver Drucksensor wie ein idealer Plattenkondensator verhalten, könnte durch Erfassen der Kapazität C bei zwei verschiedenen Drücken die obige Gleichung parametriert werden. Da sich ein realer kapazitiver Sensor aber nicht wie ein idealer Plattenkondensator verhält, ergeben sich durch diese Modellierung nicht unerhebliche Fehler. Eine Addition eines druckunabhängigen Kapazitätswerts Co zu dem Kapazitätswert C der obigen Gleichung, nämlich:
Wird ein Modell genutzt, bei dem mehrere druckabhängige Plattenkondensatoren (auch als „virtuelle“ Drucksensoren betrachtbar) parallelgeschaltet sind, kann das reale Verhalten des Drucksensors deutlich besser approximiert werden. Eine Parallelschaltung aus zwei „virtuellen“ Drucksensoren führt zu folgender Kapazität:
Diese Gleichung kann nach dem Druck p aufgelöst werden und lässt sich in folgender Form darstellen:
Dabei entspricht die maximale Ordnung der beiden Polynome der Anzahl „virtueller“ Drucksensoren. Wenn also zwei „virtuelle“ Drucksensoren genutzt werden, entsteht -je nach Parametrierung - ein Quotient aus Polynomen zweiter Ordnung.The maximum order of the two polynomials corresponds to the number of “virtual” pressure sensors. If two “virtual” pressure sensors are used, a quotient of second-order polynomials is created - depending on the parameterization.
Dieser Ansatz wird bei der vorliegenden Erfindung genutzt. Dazu wird die Sensorkapazität durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung von mindestens zwei Plattenkondensatoren mit druckabhängiger Kapazität approximiert. Dadurch kann eine Zuordnungsfunktion gebildet werden, mit der eine Zuordnung eines Druckwerts zu einem Rohmesswert des Drucksensors möglich ist. Die Zuordnungsfunktion weist dabei einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom auf, wobei das erste Polynom und das zweite Polynom jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert abhängen.This approach is used in the present invention. For this purpose, the sensor capacitance is approximated by a model based on a parallel connection of at least two plate capacitors with pressure-dependent capacitance. As a result, an assignment function can be formed with which an assignment of a pressure value to a raw measured value of the pressure sensor is possible. The assignment function has a quotient of a first polynomial and a second polynomial, the first polynomial and the second polynomial each depending at least quadratically on the digitized raw measured value.
Der „digitalisierte Rohmesswert“ gibt einen Wert an, der die Größe der Sensorkapazität bei einem jeweils an dem Drucksensor anliegenden Druck repräsentiert. Dieser digitalisierte Rohmesswert kann in Form eines Kapazitätswerts vorliegen. Allerdings kann der digitalisierte Rohmesswert auch eine Spannung umfassen, die als Brückenspannung an einer Wheatstone-Brücke abgegriffen wird. Der digitalisierte Rohmesswert kann auch durch eine Frequenz gekennzeichnet sein, die ein Schwingkreis mit der Sensorkapazität als Resonanzfrequenz annimmt. Diese kurze beispielhafte Aufzählung, die weder abschließend ist noch einschränkend zu betrachten ist, lässt erkennen, wie flexibel der digitalisierte Rohmesswert erzeugt und dargestellt werden kann. Je nach digitalisiertem Rohmesswert werden die Koeffizienten des ersten und des zweiten Polynoms entsprechend anzupassen sein.The “digitized raw measured value” indicates a value that represents the size of the sensor capacitance at a pressure applied to the pressure sensor. This digitized raw measured value can be in the form of a capacitance value. However, the digitized raw measured value can also include a voltage that is used as a bridge voltage on a Wheatstone Bridge being tapped. The digitized raw measured value can also be characterized by a frequency that an oscillating circuit with the sensor capacitance assumes as the resonance frequency. This short exemplary list, which is neither conclusive nor restrictive, shows how flexibly the digitized raw measured value can be generated and displayed. Depending on the digitized raw measured value, the coefficients of the first and second polynomials will have to be adapted accordingly.
Der „gemessene Druckwert“ ist ein Druckwert, der durch die Approximation der Kennlinie des Drucksensors durch die Parallelschaltung von mehreren „virtuellen“ Drucksensoren berechnet wird. Dabei entspricht der gemessene Druckwert annähernd dem tatsächlich anliegenden Druckwert, wobei ein Approximationsfehler auftritt. Dieser Approximationsfehler ist allerdings gering, vorzugsweise kleiner als 0,1%, besonders bevorzugter Weise kleiner als 0,01%.The “measured pressure value” is a pressure value that is calculated by approximating the characteristic curve of the pressure sensor by connecting several “virtual” pressure sensors in parallel. The measured pressure value corresponds approximately to the actually applied pressure value, with an approximation error occurring. However, this approximation error is small, preferably less than 0.1%, particularly preferably less than 0.01%.
In einer Ausführungsform ist die Ordnung des ersten Polynoms und/oder die Ordnung des zweiten Polynoms jeweils gleich der Anzahl von parallel geschalteten Plattenkondensatoren der Approximation. Dadurch kann eine gute Approximation des realen Verhaltens des Drucksensors erreicht werden.In one embodiment, the order of the first polynomial and / or the order of the second polynomial is in each case equal to the number of parallel-connected plate capacitors of the approximation. This enables a good approximation of the real behavior of the pressure sensor to be achieved.
Die Approximation des realen Verhaltens des Drucksensors wird mit zunehmender Anzahl von „virtuellen“ Drucksensoren immer genauer. Allerdings bedeutet jeder weitere „virtuelle“ Drucksensor eine Erhöhung der Ordnung der Polynome, sodass der Berechnungsaufwand bei sehr vielen „virtuellen“ Drucksensoren erheblich sein kann. In einer Ausführungsform kann daher die Anzahl von Plattenkondensator auf maximal 5 begrenzt sein. In einer Ausführungsform ist die Approximation der Sensorkapazität durch drei Plattenkondensatoren gebildet, sodass hier das erste Polynom und/oder das zweite Polynom ein Polynom dritter Ordnung ist. Auf diese Weise entsteht eine gute Approximation bei gleichzeitig überschaubarem Berechnungsaufwand.The approximation of the real behavior of the pressure sensor becomes more and more precise as the number of “virtual” pressure sensors increases. However, every additional "virtual" pressure sensor means an increase in the order of the polynomials, so that the calculation effort can be considerable with a large number of "virtual" pressure sensors. In one embodiment, the number of plate capacitors can therefore be limited to a maximum of five. In one embodiment, the approximation of the sensor capacitance is formed by three plate capacitors, so that here the first polynomial and / or the second polynomial is a third order polynomial. In this way, a good approximation is created with at the same time manageable calculation effort.
Die Plattenkondensatoren des Modells können beliebig parametriert werden. In einer Ausführungsform wird durch einen ersten Plattenkondensator des Modells aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren eine grobe Approximation der Sensorkapazität durchgeführt, während ein zweiter Plattenkondensator aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren die grobe Approximation verbessert. Wenn das Modell einen dritten Plattenkondensator umfasst, verbessert in dieser Ausführungsform der dritte Plattenkondensator die bereits verbesserte Approximation weiter, und so weiter. Somit wird die Approximation genauer. Auf diese Weise entsteht ein Modell, dessen Approximation mit jedem weiteren Plattenkondensator zuverlässig genauer werden kann.The model's plate capacitors can be parameterized as required. In one embodiment, a rough approximation of the sensor capacitance is carried out using a first plate capacitor of the model from the at least two plate capacitors, while a second plate capacitor from the at least two plate capacitors improves the rough approximation. If the model includes a third plate capacitor, in this embodiment the third plate capacitor further improves the already improved approximation, and so on. This makes the approximation more accurate. In this way, a model is created whose approximation can be reliably more accurate with each additional plate capacitor.
In einer weiteren Ausführungsform sind bei dem ersten Polynom und/oder bei dem zweiten Polynom Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen, vorzugsweise Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen größer als 0, jeweils ungleich 0. Wenn beispielsweise die Approximation durch drei „virtuelle“ Sensoren erfolgt und der Quotient aus erstem und zweitem Polynom eine folgende Form aufweist:
- könnte „für mindestens zwei Potenzen“ bedeuten, dass mindestens zwei der Parameter N0, N1, N2 und N3 und/oder mindestens zwei der Parameter D0, D1, D2 und D3 ungleich 0 sind. Eine derartige Parametrierung bietet einen guten Kompromiss zwischen Berechnungsaufwand und Genauigkeit der Approximation. Der Fall „für mindestens zwei Potenzen größer
als 0“ könnte bedeuten, dass mindestens zwei der Parameter N1, N2 und N3 und/oder mindestens zwei der Parameter D1, D2 und D3 ungleich 0 sind. Dabei kann ergänzend der Parameter D0 als ungleich 0 festgelegt sein. Eine derartige Parametrierung verbessert die Approximation bei gleichzeitig vertretbarem Berechnungsaufwand.
- could mean “for at least two powers” that at least two of the parameters N 0 , N 1 , N 2 and N 3 and / or at least two of the parameters D 0 , D 1 , D 2 and D 3 are not equal to 0. Such a parameterization offers a good compromise between calculation effort and accuracy of the approximation. The case “for at least two powers greater than 0” could mean that at least two of the parameters N 1 , N 2 and N 3 and / or at least two of the parameters D 1 , D 2 and D 3 are not equal to 0. In addition, the parameter D 0 can be defined as not equal to 0. Such a parameterization improves the approximation while at the same time making the computation work justifiable.
In einer Ausführungsform ist bei einer Parallelschaltung aus n virtuellen Sensoren - mit n als natürliche Zahl größer oder gleich 3 - im ersten Polynom der Koeffizient für die n-te Potenz gleich 0 und alle weiteren Koeffizienten ungleich 0. Mit der oben dargestellten Form der Zuordnungsfunktion und mit n = 3 könnte sich ergeben, dass N3 gleich 0 ist und die Koeffizienten N0, N1, N2, D0, D1, D2 und D3 jeweils ungleich 0 sind. Damit kann die Approximation weiter verbessert werden.In one embodiment, with a parallel connection of n virtual sensors - with n as a natural number greater than or equal to 3 - the coefficient for the nth power in the first polynomial is equal to 0 and all other coefficients are not equal to 0. With the form of the assignment function and shown above with n = 3 it could result that N 3 is equal to 0 and the coefficients N 0 , N 1 , N 2 , D 0 , D 1 , D 2 and D 3 are each not equal to 0. The approximation can thus be further improved.
In einer Ausführungsform sind bei einer Parallelschaltung aus n virtuellen Sensoren - mit n als natürliche Zahl größer oder gleich 2 - in dem ersten Polynom und dem zweiten Polynom für alle Potenzen alle Koeffizienten ungleich 0. Damit kann die Approximation noch weiter verbessert werden.In one embodiment, with a parallel connection of n virtual sensors - with n as a natural number greater than or equal to 2 - all coefficients in the first polynomial and the second polynomial are not equal to 0 for all powers. This allows the approximation to be improved even further.
In einer Ausführungsform sind Koeffizienten des ersten Polynoms und/oder Koeffizienten des zweiten Polynoms exemplarspezifisch oder typspezifisch, wobei Koeffizienten für Potenzen niederer Ordnung vorzugsweise exemplarspezifisch sind. „Exemplarspezifisch“ bedeutet, dass die Koeffizienten mit dem konkreten Drucksensor ermittelt worden sind, bei dem ein gemessener Druckwert einem Rohmesswert zugeordnet wird. Die Bestimmung exemplarspezifischer Parameter kann beispielsweise während einer Kalibrierungsmessung nach Fertigstellung des Sensors oder während einer Erstinbetriebnahme des Sensors bei verschiedenen bekannten anliegenden Drücken erfolgen. „Typspezifisch“ bedeutet, dass die Koeffizienten mit einem oder mehreren baugleichen Drucksensor/en und nicht einem konkreten Drucksensor ermittelt werden.In one embodiment, coefficients of the first polynomial and / or coefficients of the second polynomial are example-specific or type-specific, coefficients for powers of lower order are preferably example-specific. "Specimen-specific" means that the coefficients have been determined with the specific pressure sensor in which a measured pressure value is assigned to a raw measured value. The determination of specimen-specific parameters can, for example, during a calibration measurement after completion of the sensor or during an initial start-up of the sensor at various known pressures applied. "Type-specific" means that the coefficients are determined with one or more identical pressure sensors and not with a specific pressure sensor.
Bei einer Darstellung der Zuordnungsfunktion in der Form
In einer Ausführungsform sind Polstellen der Zuordnungsfunktion außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet. Polstellen der Zuordnungsfunktion entstehen, wenn das zweite Polynom Nullstellen aufweist. Diese Polstellen führen zu Unstetigkeiten der Zuordnungsfunktion und zu digitalisierten Rohmesswerten, die nicht eindeutig einem gemessenen Druckwert zugeordnet werden können. Durch Anordnung der Polstellen außerhalb des Messbereichs des Sensors können Auswirkungen der Polstellen auf die Zuordnung vermieden werden. Dabei können die Polstellen so positioniert oder gewählt werden, dass auch bei einer Schwankung von Umgebungsbedingungen, Alterserscheinungen und/oder sonstigen Änderungen der Rahmenbedingungen einer Druckmessung die Polstellen außerhalb des Messbereichs bleiben. Auf dieser Weise kann die Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.In one embodiment, poles of the assignment function are arranged outside a measuring range of the sensor. Poles of the assignment function arise when the second polynomial has zeros. These poles lead to discontinuities in the assignment function and to digitized raw measured values that cannot be clearly assigned to a measured pressure value. By arranging the poles outside the measuring range of the sensor, the effects of the poles on the assignment can be avoided. The poles can be positioned or selected in such a way that the poles remain outside the measuring range even if there is a fluctuation in ambient conditions, signs of aging and / or other changes in the framework conditions of a pressure measurement. In this way, the reliability can be further improved.
Die untere Grenze des Messbereichs ist gemäß einer Ausführungsform kleiner oder gleich 50 kPa, gemäß einer anderen Ausführungsform kleiner oder gleich 30 kPa und gemäß einer weiteren Ausführungsform kleiner oder gleich 20 kPa. Die obere Grenze des Messbereichs ist gemäß einer Ausführungsform größer oder gleich 100 kPa, gemäß einer anderen Ausführungsform größer oder gleich 110 kPa und gemäß einer weiteren Ausführungsform größer oder gleich 150 kPa.According to one embodiment, the lower limit of the measurement range is less than or equal to 50 kPa, according to another embodiment less than or equal to 30 kPa and according to a further embodiment less than or equal to 20 kPa. The upper limit of the measurement range is greater than or equal to 100 kPa according to one embodiment, greater than or equal to 110 kPa according to another embodiment and greater than or equal to 150 kPa according to a further embodiment.
Die Zuordnungsfunktion kann auf verschiedene Weise dargestellt werden, solange die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom aufweist. In einer Ausführungsform weist die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert jedoch die Form:
In einer Ausführungsform weist die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (plin) die Form:
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors ein Host-System, das zum Auslesen eines digitalisierten Rohmesswerts und/oder eines gemessenen Druckwerts über eine Schnittstelle ausgebildet ist und/oder in dem die Zuordnungseinheit zumindest teilweise implementiert ist. Dabei kann das Host-System mit dem Sensorsystem interagieren und/oder das Sensorsystem steuern. In einer Ausführungsform kann das Host-System Bestandteile des Sensorsystems zumindest teilweise implementieren. Diese Bestandteile können die Zuordnungseinheit umfassen. Durch Nutzung eines Host-Systems und die dort meist besseren Rechenressourcen sind schnellere Berechnungen möglich.In one embodiment, the sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor comprises a host system that is designed to read out a digitized raw measured value and / or a measured pressure value via an interface and / or in which the assignment unit is at least partially implemented . The host system can interact with the sensor system and / or control the sensor system. In one embodiment, the host system can at least partially implement components of the sensor system. These components can include the allocation unit. By using a host system and the computing resources that are usually better there, faster calculations are possible.
In einer Ausführungsform umfasst der Drucksensor eine Sensorelektronik. Diese Sensorelektronik kann einen nichtflüchtigen Speicher umfassen. In einer Ausführungsform sind in dem nichtflüchtigen Speicher Koeffizienten des ersten und des zweiten Polynoms abgespeichert, die für die Zuordnung des gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert aus dem nichtflüchtigen Speicher geladen werden können. In einer anderen Ausführungsform sind in dem nichtflüchtigen Speicher Nullstellen und Polstellen der Zuordnungsfunktion abgespeichert, die für die Zuordnung des gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert aus dem nichtflüchtigen Speicher geladen werden können.In one embodiment, the pressure sensor comprises sensor electronics. This sensor electronics can comprise a non-volatile memory. In one embodiment, coefficients of the first and second polynomials are stored in the non-volatile memory, which coefficients can be loaded from the non-volatile memory for the assignment of the measured pressure value to a raw measured value. In another embodiment, zeros and poles of the assignment function are stored in the non-volatile memory, which can be loaded from the non-volatile memory for the assignment of the measured pressure value to a raw measured value.
Die in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werte können unterschiedlichste Bitbreiten aufweisen. Je größer die Bitbreite desto präziser sind die Ergebnisse. Allerdings steigt mit zunehmender Bitbreite der Berechnungsaufwand. In einer Ausführungsform ist die Bitbreite der in dem nichtflüchtigen Speicher abgelegten Werte daher nicht größer als 32 Bit, in einer weiteren Ausgestaltung nicht größer als 24 Bit.The values stored in the non-volatile memory can have a wide variety of bit widths. The larger the bit width, the more precise the results are. However, the computational effort increases as the bit width increases. In one embodiment, the bit width of the values stored in the non-volatile memory is therefore not greater than 32 bits, in a further embodiment not greater than 24 bits.
Die Sensorelektronik kann auf verschiedene Weise implementiert sein. In einer Ausführungsform ist die Sensorelektronik durch Hardware implementiert. In einer anderen Ausführungsform ist die Sensorelektronik durch eine Kombination aus Soft- und Hardware implementiert. Dabei kann ein ASIC - Application Specific Integrated Circuit - zum Einsatz kommen, wobei in dem ASIC ein Mikroprozessorkern und/oder ein Signalprozessorkern enthalten sein kann.The sensor electronics can be implemented in various ways. In one embodiment, the sensor electronics are implemented by hardware. In another embodiment, the sensor electronics are implemented by a combination of software and hardware. An ASIC — Application Specific Integrated Circuit — can be used, it being possible for the ASIC to contain a microprocessor core and / or a signal processor core.
Gemessene Druckwerte, die durch Ausführungsformen des Verfahrens bzw. des Sensorsystems zu einem Rohmesswert zugeordnet worden sind, können in weiteren Berechnungen genutzt werden. So kann ein gemessener Druckwert temperaturkompensiert oder in anderer Weise fehlerkompensiert werden. Der gemessene Druckwert beziehungsweise der fehlerkompensierte gemessene Druckwert kann dann in einer Anwendung, die beispielsweise auf dem Host-System läuft, genutzt werden. So kann eine Anwendung ein Stockwerk eines Gebäudes oder eine Änderung des Stockwerks ermitteln, um lediglich ein einzelnes Beispiel aus einer Vielzahl von Möglichkeiten zu nennen.Measured pressure values that have been assigned to a raw measured value by embodiments of the method or the sensor system can be used in further calculations. In this way, a measured pressure value can be temperature-compensated or error-compensated in some other way. The measured pressure value or the error-compensated measured pressure value can then be used in an application that runs on the host system, for example. For example, an application can determine a floor of a building or a change in the floor, to name just a single example from a multitude of possibilities.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawings, and from the associated description of the figures on the basis of the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.Preferred designs and embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to the same or similar or functionally identical components or elements.
FigurenlisteFigure list
Dabei zeigt:
-
1 ein Fehlerdiagramm für eine mittels Polynom vierter Ordnung approximierten Kennlinie eines bekannten Drucksensors, -
2 ein Fehlerdiagramm für eine Kennlinie eines Drucksensors, die in bekannter Weise als Plattenkondensator approximiert ist, -
3 ein Diagramm einer genormten Kapazität eines idealen Plattenkondensators und eines realen Drucksensors, -
4 ein Ablaufdiagramm mit Schritten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens, -
5 ein Fehlerdiagramm einer Approximation gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
6 ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems, -
7 eine beispielhafte Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors, dessen Rohmesswerte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeordnet werden können und -
8 ein Schaltbild mit einer Parallelschaltung dreier Plattenkondensatoren zur Approximation der Sensorkapazität.
-
1 an error diagram for a characteristic curve of a known pressure sensor approximated by means of a fourth order polynomial, -
2 an error diagram for a characteristic curve of a pressure sensor, which is approximated in a known manner as a plate capacitor, -
3 a diagram of a standardized capacitance of an ideal plate capacitor and a real pressure sensor, -
4th a flowchart with steps of an embodiment of a method according to the invention, -
5 an error diagram of an approximation according to an embodiment of the method according to the invention, -
6th a block diagram with functional units of an embodiment of a sensor system according to the invention, -
7th an exemplary embodiment of a capacitive pressure sensor, the raw measured values of which can be assigned in the method according to the invention and -
8th a circuit diagram with a parallel connection of three plate capacitors to approximate the sensor capacitance.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die
Die Zuordnungseinheit
Die Zuordnungseinheit
Das Host-System
In
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described on the basis of preferred embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many ways.
Claims (11)
Priority Applications (1)
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DE102020207895.5A DE102020207895A1 (en) | 2020-06-25 | 2020-06-25 | Method and sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor |
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ID=78826760
Family Applications (1)
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US20160131550A1 (en) | 2014-11-11 | 2016-05-12 | Ams International Ag | Method and apparatus for calibrating pressure sensor integrated circuit devices |
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2020
- 2020-06-25 DE DE102020207895.5A patent/DE102020207895A1/en active Pending
Patent Citations (3)
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