DE102020207895A1 - Method and sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor - Google Patents

Method and sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor Download PDF

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DE102020207895A1
DE102020207895A1 DE102020207895.5A DE102020207895A DE102020207895A1 DE 102020207895 A1 DE102020207895 A1 DE 102020207895A1 DE 102020207895 A DE102020207895 A DE 102020207895A DE 102020207895 A1 DE102020207895 A1 DE 102020207895A1
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Stefan Zehringer
David Slogsnat
Timo Brueckner
Gabriele CAZZANIGA
Somaie Saremi-Afshar
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/12Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor

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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: p o u t = p 0 + k 1 k 2 + p i n

Figure DE102020207895A1_0001
In another known solution, the pressure sensor is modeled by an ideal parallel plate capacitor and a pressure value is converted using a formula of the following form: p O u t = p 0 + k 1 k 2 + p i n
Figure DE102020207895A1_0001

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,
wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren mit einer jeweils 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.In one embodiment, the present invention provides 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, 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
  • • Determination of a measured pressure value from the digitized raw measured value by means of an assignment function,
wherein the assignment function is formed via an approximation of the sensor capacitance by 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 each depend at least quadratically on the digitized raw measured value.

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,
wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität durch ein Modell auf der Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren mit jeweils 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 Messwert abhängen.In a further embodiment, the present invention provides a sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor, comprising:
  • • 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,
wherein the assignment function is formed via an approximation of the sensor capacitance by 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 Polynomials each depend at least quadratically on the digitized measured value.

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: C = ε A d 0 x p

Figure DE102020207895A1_0002
A pressure-dependent capacitance C of an ideal plate capacitor can be described by the fact that the plate spacing of the ideal plate capacitor changes linearly with an applied pressure p. The pressure-dependent capacity can thus be calculated as follows: C. = ε A. d 0 - x p
Figure DE102020207895A1_0002

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: p = d 0 x ε A x 1 C

Figure DE102020207895A1_0003
This equation can be solved for the pressure p: p = d 0 x - ε A. x 1 C.
Figure DE102020207895A1_0003

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: C = ε A d 0 x p + C 0

Figure DE102020207895A1_0004
bringt eine Verbesserung, kann das Vorhandensein deutlicher Fehler aber nicht vermeiden.If a real capacitive pressure sensor would behave like an ideal plate capacitor, the above equation could be parameterized by recording the capacitance C at two different pressures. Since a real capacitive sensor does not behave like an ideal plate capacitor, this modeling results in not inconsiderable errors. An addition of a pressure-independent capacitance value Co to the capacitance value C of the above equation, namely: C. = ε A. d 0 - x p + C. 0
Figure DE102020207895A1_0004
brings an improvement, but cannot avoid the presence of clear errors.

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: C = C ' C '' = ε A ' d 0 ' x ' p + C 0 ' + ε A '' d 0 '' x '' p + C 0 ''

Figure DE102020207895A1_0005
If a model is used in which several pressure-dependent plate capacitors (which can also be viewed as “virtual” pressure sensors) are connected in parallel, the real behavior of the pressure sensor can be approximated much better. A parallel connection of two "virtual" pressure sensors leads to the following capacity: C. = C. ' - C. '' = ε A. ' d 0 ' - x ' p + C. 0 ' + ε A. '' d 0 '' - x '' p + C. 0 ''
Figure DE102020207895A1_0005

Diese Gleichung kann nach dem Druck p aufgelöst werden und lässt sich in folgender Form darstellen: p = p o l y n o m 1 ( C ) p o l y n o m 2 ( C )

Figure DE102020207895A1_0006
This equation can be solved for the pressure p and can be represented in the following form: p = p O l y n O m 1 ( C. ) p O l y n O m 2 ( C. )
Figure DE102020207895A1_0006

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: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D 0 + D 1 a d c p + D 2 a d c p 2 + D 3 a d c p 3

Figure DE102020207895A1_0007

  • 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.
In a further embodiment, the first polynomial and / or the second polynomial have coefficients for at least two powers, preferably coefficients for at least two powers greater than 0, each unequal 0. If, for example, the approximation is made by three “virtual” sensors and the quotient from the first and second polynomial has the following form: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D. 0 + D. 1 a d c p + D. 2 a d c p 2 + D. 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0007
  • 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 p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D 0 + D 1 a d c p + D 2 a d c p 2 + D 3 a d c p 3

Figure DE102020207895A1_0008
können in einer Ausführungsform die Koeffizienten N0, N1, N2, D1 und D2 jeweils exemplarspezifisch sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Koeffizienten N0, N1, N2 und D1 jeweils exemplarspezifisch sein. In einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Koeffizienten N0, N1, N2, D1 und D3 jeweils exemplarspezifisch sein. Bei all diesen Ausführungsformen von exemplarspezifischen Koeffizienten kann der Koeffizient D0 zusätzlich ungleich 0 gewählt sein.With a representation of the assignment function in the form p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D. 0 + D. 1 a d c p + D. 2 a d c p 2 + D. 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0008
In one embodiment, the coefficients N 0 , N 1 , N 2 , D 1 and D 2 can each be specific to the example. In an alternative embodiment, the coefficients N 0 , N 1 , N 2 and D 1 can each be example-specific. In a further alternative embodiment, the coefficients N 0 , N 1 , N 2 , D 1 and D 3 can each be specific to the example. In all of these embodiments of example-specific coefficients, the coefficient D 0 can also be selected to be unequal to 0.

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: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D 0 + D 1 a d c p + D 2 a d c p 2 + D 3 a d c p 3

Figure DE102020207895A1_0009
und mehrere Koeffizienten auf, wobei die Koeffizienten reelle Zahlen sind. Diese Darstellung bietet insbesondere dahingehend Vorteile, dass die Koeffizienten der einzelnen Potenzen problemlos bestimmt und festgelegt werden können.The assignment function can be represented in various ways as long as the assignment function has a quotient of a first polynomial and a second polynomial. In one embodiment, however, the assignment function for the measured pressure value has the form: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D. 0 + D. 1 a d c p + D. 2 a d c p 2 + D. 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0009
and a plurality of coefficients, the coefficients being real numbers. This representation offers advantages in particular in that the coefficients of the individual powers can be easily determined and fixed.

In einer Ausführungsform weist die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (plin) die Form: p l i n = k P l i n ( a d c p Z 1, P l i n ) ( a d c p Z 2 , P l i n ) ( a d c p Z 3 , P l i n ) ( a d c p P 1, P l i n ) ( a d c p P 2 , P l i n ) ( a d c p P 3 , P l i n )

Figure DE102020207895A1_0010
und mehrere Nullstellen und mehrere Polstellen auf, wobei die Polstellen vorzugsweise außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind. Diese Darstellung bietet den Vorteil, dass Polstellen einfach ermittelt werden können.In one embodiment, the assignment function for the measured pressure value (p lin ) has the form: p l i n = k P. l i n ( a d c p - Z 1, P. l i n ) ( a d c p - Z 2 , P. l i n ) ( a d c p - Z 3 , P. l i n ) ( a d c p - P. 1, P. l i n ) ( a d c p - P. 2 , P. l i n ) ( a d c p - P. 3 , P. l i n )
Figure DE102020207895A1_0010
and a plurality of zero points and a plurality of poles, the poles preferably being arranged outside a measuring range of the sensor. This representation offers the advantage that poles can be easily determined.

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.
It shows:
  • 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 1 und 2 stellen Fehlerdiagramme für bekannte Approximationen der Kennlinie eines Drucksensors dar, wobei jeweils ein Druckfehler über dem anliegenden Druck aufgetragen ist und die Achsenbeschriftungen jeweils Kilo-Pascal als Einheit haben. Bei 1 ist eine Approximation mit einem Polynom vierter Ordnung, bei 2 eine Approximation als idealer Plattenkondensator mit druckunabhängigem Kapazitätsanteil genutzt worden. Es ist zu erkennen, dass ein nicht unerheblicher Approximationsfehler verbleibt.the 1 and 2 represent error diagrams for known approximations of the characteristic curve of a pressure sensor, whereby a pressure error is plotted against the applied pressure and the axis labels each have kilo-Pascal as a unit. at 1 is an approximation with a fourth order polynomial, at 2 an approximation was used as an ideal plate capacitor with a pressure-independent capacitance component. It can be seen that a not insignificant approximation error remains.

3 zeigt ein Diagramm, bei dem eine genormte Kapazität über einem anliegenden Druck in Kilo-Pascal aufgezeichnet ist. Die obere, gestrichelte Kurve stellt dabei den Fall dar, bei dem der Drucksensor durch einen Plattenkondensator modelliert ist, dessen Plattenabstand sich linear mit einem anliegenden Druck ändert. Die untere, durchgezogene Kurve stellt eine reale Kennlinie eines Drucksensors dar. Es ist zu erkennen, dass die realen Verhältnisse über weite Teile des Messbereichs von dem Verhalten eines idealen Plattenkondensators abweichen. 3 shows a diagram in which a standardized capacity is plotted against an applied pressure in kilo-Pascal. The upper, dashed curve represents the case in which the pressure sensor is modeled by a plate capacitor, the plate spacing of which changes linearly with an applied pressure. The lower, solid curve represents a real characteristic of a pressure sensor. It can be seen that the real conditions deviate from the behavior of an ideal plate capacitor over large parts of the measuring range.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt S1 wird ein digitalisierter Rohmesswert für einen Druck erzeugt, der an einem Sensorelement eines kapazitiven Drucksensors anliegt. Für das Erzeugen des digitalisierten Rohmesswerts wird die Sensorkapazität des Drucksensors ausgewertet und ein Analog-Digital-Wandler eingesetzt. In Schritt S2 werden Parameter einer Zuordnungsfunktion, beispielsweise aus einem nichtflüchtigen Speicher, geladen, wobei die Zuordnungsfunktion einen Rohmesswert einem gemessenen Druck zuordnet. Dabei ist die Zuordnungsfunktion durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren gebildet und weist einen Quotienten aus einem ersten Polynom und einem zweiten Polynom auf. Diese Parameter können Koeffizienten von Potenzen des Rohmesswerts oder Null- und Polstellen der Zuordnungsfunktion sein. In Schritt S3 wird ein gemessener Druck aus dem digitalisierten Rohmesswert mittels der Zuordnungsfunktion bestimmt. 4th shows a flow chart of an embodiment of a method according to the invention. In step S1 a digitized raw measured value is generated for a pressure that is applied to a sensor element of a capacitive pressure sensor. For the Generating the digitized raw measured value, the sensor capacity of the pressure sensor is evaluated and an analog-to-digital converter is used. In step S2 parameters of an assignment function, for example from a non-volatile memory, are loaded, the assignment function assigning a raw measured value to a measured pressure. The assignment function is formed by a model based on a parallel connection of at least two plate capacitors and has a quotient of a first polynomial and a second polynomial. These parameters can be coefficients of powers of the raw measured value or zeros and poles of the assignment function. In step S3 a measured pressure is determined from the digitized raw measured value by means of the assignment function.

5 zeigt ein Fehlerdiagramm, bei dem ein Fehler über einem anliegenden Druck aufgetragen ist, wobei sich die Achsenbeschriftung jeweils auf Werte in Kilo-Pascal beziehen. Der Fehler beschreibt die Abweichung des gemessenen Druckwerts, der durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt worden ist, und einem tatsächlich anliegenden Druck. Es ist zu erkennen, dass die Approximation durch die Zuordnungsfunktion eine sehr gute Annäherung des realen Verhaltens darstellt. 5 shows an error diagram in which an error is plotted against an applied pressure, the axis labeling in each case referring to values in kilo-Pascal. The error describes the deviation of the measured pressure value, which has been determined by an embodiment of the method according to the invention, and an actually applied pressure. It can be seen that the approximation by the assignment function represents a very good approximation of the real behavior.

6 stellt ein Blockdiagramm mit Funktionseinheiten einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorsystems dar. Das Sensorsystem 1 umfasst einen Drucksensor 2, einen Temperatursensor 3, eine Sensorelektronik 4 und ein Host-System 5. Der Drucksensor 2 wird durch einen Anregungssignalgenerator 6 mit einem Anregungssignal beaufschlagt. Der Drucksensor 2 kann in einer hier nicht dargestellten Wheatstone-Brücke verschaltet sein, wobei Anregungssignalgenerator 6 mit einem Ende oder mit beiden Enden der Wheatstone-Brücke verbunden sein kann und die Brückenspannung als analoges Sensorsignal abgegriffen werden kann. Dieses analoge Sensorsignal bildet ein durch den Sensor gewonnenen Rohmesswert 7, der in einen Analog-Digital-Wandler 8 eingegeben wird. Der Analog-Digital-Wandler 8 kann zusätzlich einen Verstärker und/oder analoge Filterschaltungen umfassen. Dem Analog-Digital-Wandler 8 ist ein digitaler Filter 9 nachgeschaltet, der eine digitale Filterung vornehmen kann. Am Ausgang dieses digitalen Filters 9 liegt ein digitalisierter Rohmesswert adcp an, der in eine Zuordnungseinheit 10 eingegeben wird. Die Zuordnungseinheit 10 ordnet mittels einer Zuordnungsfunktion einem Rohmesswert adcp einen gemessenen Druckwert plin zu, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom f1 und einem zweiten Polynom f2 aufweist und die Form: p l i n = f 1 ( a d c p ) f 2 ( a d c p ) = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D 0 + D 1 a d c p + D 2 a d c p 2 + D 3 a d c p 3

Figure DE102020207895A1_0011
hat. Die Koeffizienten N0, N1, N2, N3, D0, D1, D2 und D3 sind jeweils reelle Zahlen, wobei der Index jeweils die Potenz der Variabel adcp wiedergibt. 6th shows a block diagram with functional units of an embodiment of a sensor system according to the invention. The sensor system 1 includes a pressure sensor 2 , a temperature sensor 3 , a sensor electronics 4th and a host system 5 . The pressure sensor 2 is made by an excitation signal generator 6th acted upon by an excitation signal. The pressure sensor 2 can be connected in a Wheatstone bridge, not shown here, with excitation signal generator 6th can be connected to one end or to both ends of the Wheatstone bridge and the bridge voltage can be tapped as an analog sensor signal. This analog sensor signal forms a raw measured value obtained by the sensor 7th that into an analog-to-digital converter 8th is entered. The analog-to-digital converter 8th may additionally comprise an amplifier and / or analog filter circuits. The analog-to-digital converter 8th is a digital filter 9 downstream, which can carry out a digital filtering. At the output of this digital filter 9 if a digitized raw measured value adcp is available, it is stored in an allocation unit 10 is entered. The allocation unit 10 assigns a measured pressure value p lin to a raw measured value adcp by means of an assignment function, the assignment function having a quotient of a first polynomial f 1 and a second polynomial f 2 and the form: p l i n = f 1 ( a d c p ) f 2 ( a d c p ) = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D. 0 + D. 1 a d c p + D. 2 a d c p 2 + D. 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0011
has. The coefficients N 0 , N 1 , N 2 , N 3 , D 0 , D 1 , D 2 and D 3 are each real numbers, the index representing the power of the variable adcp.

Die Zuordnungseinheit 10 ist mit einem nichtflüchtigen Speicher 11 verbunden, in dem verschiedene Parameter für das Zuordnen des digitalisierten Rohmesswerts zu einem gemessenen Druckwert abgespeichert sind. Diese Parameter umfassen insbesondere die vorgenannten Koeffizienten N0, N1, N2, N3, D0, D1, D2 und D3. In der Zuordnungseinheit 10 kann der gemessene Druckwert zusätzlich temperaturkompensiert werden, indem ein Temperaturmesswert aus dem Temperatursensor 3 nach einer Digitalisierung durch den Analog-Digital-Wandler 8 und eventueller Filterung durch den digitalen Filter 9 digitalisiert und aufbereitet worden ist.The allocation unit 10 is with a non-volatile memory 11th connected, in which various parameters for assigning the digitized raw measured value to a measured pressure value are stored. These parameters include in particular the aforementioned coefficients N 0 , N 1 , N 2 , N 3 , D 0 , D 1 , D 2 and D 3 . In the allocation unit 10 the measured pressure value can also be temperature compensated by taking a temperature reading from the temperature sensor 3 after digitization by the analog-to-digital converter 8th and possible filtering by the digital filter 9 has been digitized and processed.

Die Zuordnungseinheit 10 gibt einen gemessenen Druckwert plin an ein Register 12 und eine FIFO-Steuereinheit 13 aus. In dem Register 12 kann ein jeweils aktueller gemessener Druckwert plin abliegen, wobei der abgelegte gemessene Druckwert mit einem Zeitstempel versehen sein kann. Die FIFO-Steuereinheit 13 kann mehrere nacheinander gemessene Druckwerte plin - eventuell mit einem Zeitstempel versehen - in einem FIFO 14 - First In First Out Speicher - ablegen, sodass in dem FIFO 14 eine gewisse Anzahl historischer gemessener Druckwerte, beispielsweise 16, 132 oder 200 Druckwerte, abgespeichert sein können.The allocation unit 10 outputs a measured pressure value p lin to a register 12th and a FIFO control unit 13th out. In the register 12th a current measured pressure value p lin can be stored, it being possible for the stored measured pressure value to be provided with a time stamp. The FIFO control unit 13th several pressure values p lin measured one after the other - possibly provided with a time stamp - in a FIFO 14th - First In First Out memory - store so that in the FIFO 14th a certain number of historical measured pressure values, for example 16, 132 or 200 pressure values, can be stored.

Das Host-System 5 ist über eine Schnittstelle 15 mit der Sensorelektronik 4 verbunden. Dabei kann die Schnittstelle 15 durch I2C, I3C oder SPI ausgebildet sein. Es sind auch andere Ausbildungen der Schnittstelle möglich. Über diese Schnittstelle 15 kann das Host-System 5 einen aktuellen gemessenen Druckwert plin aus dem Register 12 oder mehrere gemessene Druckwerte plin auf dem FIFO 14 auslesen.The host system 5 is through an interface 15th with the sensor electronics 4th connected. The interface 15th be formed by I 2 C, I3C or SPI. Other configurations of the interface are also possible. Via this interface 15th can the host system 5 a current measured pressure value p lin from the register 12th or several measured pressure values p lin on the FIFO 14th read out.

In 7 ist eine beispielhafte Ausgestaltung eines kapazitiven Drucksensor 2 dargestellt, der als MEMS - Mikro-Elektro-Mechanisches System - ausgebildet ist. Der Drucksensor 2 umfasst eine Sensorkapazität 16, die durch eine Masseelektrode 17 und eine auslenkbare Sensorelektrode 18 gebildet ist. Abhängig von einem anliegenden Druck p wird die auslenkbare Sensorelektrode 18 unterschiedlich weit in Richtung der Masseelektrode 17 bewegt.In 7th is an exemplary embodiment of a capacitive pressure sensor 2 shown, which is designed as a MEMS - micro-electro-mechanical system. The pressure sensor 2 includes a sensor capacitance 16 by a ground electrode 17th and a deflectable sensor electrode 18th is formed. The deflectable sensor electrode is dependent on an applied pressure p 18th different distances in the direction of the ground electrode 17th emotional.

8 zeigt ein Schaltbild mit einer Parallelschaltung von drei Plattenkondensatoren C, C' und C". Diese Plattenkondensatoren weisen eine druckabhängige Kapazität auf und können bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Modell für die Approximation der Sensorkapazität 16 bilden. 8th shows a circuit diagram with a parallel connection of three plate capacitors C, C 'and C ″. These plate capacitors have a pressure-dependent capacitance and, in one embodiment of the method according to the invention, can be a model for approximating the sensor capacitance 16 form.

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)

Verfahren zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, wobei eine Sensorkapazität (16) des Drucksensors (2) eine nichtlineare Abhängigkeit von einem anliegenden Druck (p) aufweist, umfassend die Schritte: • Erzeugen (S1) eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) für einen anliegenden Druck (p) durch Auswerten der Sensorkapazität (16) des Drucksensors (2) und unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (8) und • Bestimmen eines gemessenen Druckwerts (plin) aus dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) mittels einer Zuordnungsfunktion, wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität (2) durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") jeweils mit einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom (f1(adcp)) und einem zweiten Polynom (f2(adcp)) aufweist und wobei das erste Polynom (f1(adcp)) und das zweite Polynom (f2(adcp)) jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) abhängen.Method for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor, wherein a sensor capacitance (16) of the pressure sensor (2) has a non-linear dependence on an applied pressure (p), comprising the steps: • Generating (S1) a digitized raw measured value (adcp ) for an applied pressure (p) by evaluating the sensor capacitance (16) of the pressure sensor (2) and using an analog-digital converter (8) and • determining a measured pressure value (p lin ) from the digitized raw measured value (adcp) using an assignment function, the assignment function being formed via an approximation of the sensor capacitance (2) by a model based on a parallel connection of at least two plate capacitors (C, C ', C ") each with a pressure-dependent capacitance, the assignment function being a quotient of a first Polynomial (f 1 (adcp)) and a second polynomial (f 2 (adcp)) and where the first polynomial (f 1 (adcp )) and the second polynomial (f 2 (adcp)) each depend at least quadratically on the digitized raw measured value (adcp). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ordnung des ersten Polynoms (f1(adcp)) und/oder die Ordnung des zweiten Polynoms (f2(adcp)) jeweils gleich der Anzahl von parallel geschalteten Plattenkondensatoren (C, C', C") der Approximation ist.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the order of the first polynomial (f 1 (adcp)) and / or the order of the second polynomial (f 2 (adcp)) are each equal to the number of parallel-connected plate capacitors (C, C ', C ") of the Approximation is. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Approximation durch drei Plattenkondensatoren (C, C', C") gebildet ist, sodass das erste Polynom (f1(adcp)) und/oder das zweite Polynom (f2(adcp)) ein Polynom dritter Ordnung ist.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the approximation is formed by three plate capacitors (C, C ', C "), so that the first polynomial (f 1 (adcp)) and / or the second polynomial (f 2 (adcp)) is a third order polynomial is. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen ersten Plattenkondensator (C) des Modells aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") eine grobe Approximation der Sensorkapazität durchgeführt wird, während ein weiterer Plattenkondensator/weitere Plattenkondensatoren (C', C") aus den mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") die grobe Approximation verbessern.Method according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that a rough approximation of the sensor capacitance is carried out by a first plate capacitor (C) of the model from the at least two plate capacitors (C, C ', C "), while another plate capacitor / other plate capacitors (C', C") improve the rough approximation from the at least two plate capacitors (C, C ', C "). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Polynom (f1(adcp)) und/oder bei dem zweiten Polynom (f2(adcp)) Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen, vorzugsweise Koeffizienten für mindestens zwei Potenzen größer als 0, jeweils ungleich 0 sind.Method according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that in the first polynomial (f 1 (adcp)) and / or in the second polynomial (f 2 (adcp)) coefficients for at least two powers, preferably coefficients for at least two powers greater than 0, are each not equal to 0 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Koeffizienten des ersten Polynoms (f1(adcp)) und/oder Koeffizienten des zweiten Polynoms (f2(adcp)) exemplarspezifisch oder typspezifisch sind, wobei Koeffizienten für Potenzen niederer Ordnung vorzugsweise exemplarspezifisch sind.Method according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that coefficients of the first polynomial (f 1 (adcp)) and / or coefficients of the second polynomial (f 2 (adcp)) are specimen-specific or type-specific, with coefficients for powers of lower order are preferably specimen-specific. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Polstellen der Zuordnungsfunktion außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind.Method according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that poles of the assignment function are arranged outside of a measuring range of the sensor. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (plin) die Form: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D 0 + D 1 a d c p + D 2 a d c p 2 + D 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0012
und mehrere Koeffizienten (N0, N1, N2, N3, D0, D1, D2, D3) aufweist, wobei die Koeffizienten (N0, N1, N2, N3, D0, D1, D2, D3) reelle Zahlen sind.
Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the assignment function for the measured pressure value (p lin ) has the form: p l i n = N 0 + N 1 a d c p + N 2 a d c p 2 + N 3 a d c p 3 D. 0 + D. 1 a d c p + D. 2 a d c p 2 + D. 3 a d c p 3
Figure DE102020207895A1_0012
and a plurality of coefficients (N 0 , N 1 , N 2 , N 3 , D 0 , D 1 , D 2 , D 3 ), the coefficients (N 0 , N 1 , N 2 , N 3 , D 0 , D 1 , D 2 , D 3 ) are real numbers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsfunktion für den gemessenen Druckwert (plin) die Form: p l i n = k P l i n ( a d c p Z 1, P l i n ) ( a d c p Z 2 , P l i n ) ( a d c p Z 3 , P l i n ) ( a d c p P 1, P l i n ) ( a d c p P 2 , P l i n ) ( a d c p P 3 , P l i n )
Figure DE102020207895A1_0013
und mehrere Nullstellen (Z1,Plin, Z2,Plin, Z3,Plin) und mehrere Polstellen (P1,Plin, P2,Plin, P3,Plin,) aufweist, wobei die Polstellen (P1,Plin, P2,Plin, P3,Plin,) vorzugsweise außerhalb eines Messbereichs des Sensors angeordnet sind.
Method according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the assignment function for the measured pressure value (p lin ) has the form: p l i n = k P. l i n ( a d c p - Z 1, P. l i n ) ( a d c p - Z 2 , P. l i n ) ( a d c p - Z 3 , P. l i n ) ( a d c p - P. 1, P. l i n ) ( a d c p - P. 2 , P. l i n ) ( a d c p - P. 3 , P. l i n )
Figure DE102020207895A1_0013
and several zeros (Z 1, Plin, Z 2, Plin , Z 3, Plin ) and several poles (P 1, Plin , P 2, Plin , P 3, Plin ,), the poles (P 1, Plin , P 2, Plin , P 3, Plin ,) are preferably arranged outside a measuring range of the sensor.
Sensorsystem zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts zu einem Rohmesswert eines kapazitiven Drucksensors, umfassend: • einen kapazitiven Drucksensor (2) mit einer Sensorkapazität (16), wobei die Sensorkapazität (16) von einem anliegenden Druck (p) nichtlinear abhängig ist, • einen Analog-Digital-Wandler (8), der zum Erzeugen eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) durch Digitalisieren eines durch den Drucksensor (2) gewonnenen Rohmesswerts (7) ausgebildet ist, • eine Zuordnungseinheit (10), die zum Zuordnen eines gemessenen Druckwerts (plin) zu dem digitalisierten Rohmesswert (adcp) mittels einer Zuordnungsfunktion ausgebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion über eine Approximation der Sensorkapazität (16) durch ein Modell auf Basis einer Parallelschaltung aus mindestens zwei Plattenkondensatoren (C, C', C") mit jeweils einer druckabhängigen Kapazität gebildet ist, wobei die Zuordnungsfunktion einen Quotienten aus einem ersten Polynom (f1(adcp)) und einem zweiten Polynom (f2(adcp)) aufweist und wobei das erste Polynom (f1(adcp)) und das zweite Polynom (f2(adcp)) jeweils mindestens quadratisch von dem digitalisierten Messwert (adcp) abhängen.Sensor system for assigning a measured pressure value to a raw measured value of a capacitive pressure sensor, comprising: • a capacitive pressure sensor (2) with a sensor capacitance (16), the sensor capacitance (16) being non-linearly dependent on an applied pressure (p), • an analogue Digital converter (8) designed to generate a digitized raw measured value (adcp) by digitizing a raw measured value (7) obtained by the pressure sensor (2), • an allocation unit (10) which is used to allocate a measured pressure value (p lin ) in addition digitized raw measured value (adcp) is formed by means of an assignment function, the assignment function being formed via an approximation of the sensor capacitance (16) by a model based on a parallel connection of at least two plate capacitors (C, C ', C ") each with a pressure-dependent capacitance, where the assignment function has a quotient of a first polynomial (f 1 (adcp)) and a second polynomial (f 2 (adcp)) and where the first polynomial (f 1 (adcp)) and the second polynomial (f 2 (adcp) ) each depend at least quadratically on the digitized measured value (adcp). Sensorsystem nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein Host-System (5), das zum Auslesen eines digitalisierten Rohmesswerts (adcp) und/oder eines gemessenen Druckwerts (plin) über eine Schnittstelle (15) ausgebildet ist und/oder in dem die (10) Zuordnungseinheit zumindest teilweise implementiert ist.Sensor system according to Claim 10 , characterized by a host system (5) which is designed to read out a digitized raw measured value (adcp) and / or a measured pressure value (p lin ) via an interface (15) and / or in which the (10) assignment unit is at least partially is implemented.
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US20190216394A1 (en) 2016-05-26 2019-07-18 Wound Care And Rehab Medicine Llc Pressure and vacuum sensors, systems, and associated methods

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