JPH0676941B2 - 圧力検出装置 - Google Patents

圧力検出装置

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JPH0676941B2
JPH0676941B2 JP61073717A JP7371786A JPH0676941B2 JP H0676941 B2 JPH0676941 B2 JP H0676941B2 JP 61073717 A JP61073717 A JP 61073717A JP 7371786 A JP7371786 A JP 7371786A JP H0676941 B2 JPH0676941 B2 JP H0676941B2
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敦史 宮崎
良一 小林
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
    • G01L1/2268Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects
    • G01L1/2281Arrangements for correcting or for compensating unwanted effects for temperature variations

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧力検出装置に係り、特に圧力検出素子の出
力温度補償手段に関する。
〔従来の技術〕
従来、圧力検出装置として用いられている半導体圧力セ
ンサの出力温度補償は、感温素子の出力をもとにゲージ
抵抗の温度変化を打ち消すような補償回路により行なつ
ている。
この温度補償回路は、各々の半導体圧力センサがそれぞ
れ異なつた非線形な温度特性を有するため、温度により
変化せず圧力に比例する出力を得るために、最適な非線
形感温素子の選定および、調整工程を必要とする。
従来の調整工程は、温度補償回路を構成する厚膜導体抵
抗をレーザでカツトすることで補償に必要な最適抵抗値
を得ていたが、レーザトリミング箇所が十数ケ所に及
び、その中にはセンサ単体を高,低温雰囲気下において
レーザトリミングする工程も必要としていた。
この調整工程を簡素化するものとして、米国特許第4192
005号の第1図に示されるように温度補償回路の代わり
に、無補償状態の感圧素子出力と温度センサの出力をメ
モリに記憶させておき、温度センサの出力に応じて、マ
イクロコンで感圧素子出力を、目標とする温度に依存せ
ず圧力にのみ比例する出力に変換していた。
〔発明が解決しようとする問題点〕
ところが感温素子出力は、圧力に無関係な変化成分(以
後ゼロ点と称する)と圧力に比例して変化する成分(以
後スパンと称する)に分離して考えることができるが、
温度特性無補償時の−40〜125℃における出力変化は、
それぞれ約5%〜15%にも及ぶ。
従つてこれらをマイクロコンに入力して出力補償する場
合のデータ入力側の実質的なダイナミツクレンジは、正
規なものの80%程度しか用いることができず、分解能が
制限され、高精度化の障害となつていた。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、感温素子による測定を高分解能に、か
つ測定誤差をなくすことのできる圧力検出装置を提供す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
感圧素子の温度特性を補正する方法として、感圧素子の
駆動回路に印加する電力を、測定検出回路より得られる
温度と、温度及び駆動回路印加電圧の関係を記憶させた
メモリを用いて、マイクロコンで制御し感圧素子温度特
性及び回路自体の温度特性と相殺させることで、温度変
化に依存せず圧力のみと比例した出力特性を得ようとい
うものである。
すなわち、本発明は、ROMの内蔵されたマイクロコンピ
ユータと、圧力変動によつて変化する抵抗値によつて圧
力を検出する圧力検出回路と、該回路に電力を供給して
該回路を駆動する駆動回路と、前記圧力検出回路の雰囲
気温度を検出する温度検出回路とよりなる圧力検出装置
において、上記圧力検出回路を構成する素子に供給する
電力の温度による変化特性より求められる温度特性補償
電力を予め上記メモリに格納すると共に、上記マイクロ
コンピユータの指令に基づいて駆動しゼロドリフトを補
償するゼロ点補償回路を設け、上記温度検出回路により
検出された温度から当該温度における前記メモリに記憶
されている圧力検出素子の温度特性補償電力を求め、最
適温度補償供給電流を上記圧力検出回路の入力端子に最
適温度補償供給電圧を上記圧力検出回路の出力端子に供
給することを特徴とするものである。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例について説明する。
第1図には、本発明の一実施例が示されている。
図において、G5は半導体拡散技術により形成されたピエ
ゾ抵抗素子とエツチングにより形成されたシリコンダイ
ヤフラムを有する感圧素子上の不感圧帯に形成された不
純物拡散層から成る感温素子の出力を温度センサ4とし
て用いる。
G5は電源端子VCCに接続された感圧素子の駆動電流を決
める抵抗RT1と端子aで直列に接続させる。
温度により変化する端子aの電位は、増幅回路3により
増幅され、A/D変換器(以下A/D)2を介してマイクロプ
ロセツサ(以下CPU)1に入力される。なおG5より温度
データを取込む場合、増幅器を介さずにA/D変換する方
法も採用できるのは周知の通りである。
増幅回路3のオペアンプOPTの負入力端子は前記a端子
に、正入力端子は電源端子VCCに接続された抵抗RT
2と、GNDに接続された抵抗RT3の接続される端子bに、
出力端子はA/D2にそれぞれ接続される。
RT4はオペアンプOPTの帰還抵抗である。
抵抗RT1乃至RT4は温度変化に対して鈍感な抵抗で構成さ
れている。
G1乃至G4は前記G5と同じくシリコンダイヤフラムの表面
に形成された不純物拡散層から成るゲージ抵抗で、その
うちのG1乃至G4はG1とG3及びG2とG4が互いに対向する辺
になる様接続されたホイートストンブリツジ7を構成し
ており、入力端子P2を介して一端をGNDに接続した抵抗R
5と直列に接続されている。
感圧素子G1乃至G4はダイヤフラムに作用する圧力が零の
時、G1=G2=G3=G4となる様設定する。
ブリツジ7の入力端子P1に接続される定電流回路6は、
CPU1に制御され、温度変化に伴い感圧素子の出力に応じ
あらかじめROM11にセツトされたデータに応じて電位を
変化させるD/A5と、これに直列に接続された抵抗RS1,RS
1と端子Cで直列に接続されたRS2、前記RS2と端子dで
接続された電源端子VCCに接続された抵抗RS3とGNDに接
続された抵抗RS4、及びオペアンプOPSより成る。
抵抗RS1乃至RS4は温度変化に対して鈍感な抵抗で構成さ
れている。
オペアンプOPSの正入力端子は、前記端子Cに、負入力
端子はブリツジ7の入力端子P2に、出力端子はブリツジ
7の入力端子P1に接続される。
ブリツジ7の出力端子Q1に接続される定電源回路9はCP
U1に制御されD/A8とこれに直列に接続された抵抗RZ1,RZ
1と端子eで接続された抵抗RZ2,RZ2と端子fで接続され
た電源端子VCCに接続されたRZ3とGND端子に接続された
抵抗RZ4、及びオペアンプOPZより成る。
抵抗RZ1乃至RZ4は温度変化に対して鈍感な抵抗で構成さ
れている。
オペアンプOPZの出力端子は、ブリツジ7の出力端子Q1
に、正端子は前記端子eに、負端子はオペアンプOPZの
出力端子gに接続される。
ブリツジ7の出力端子Q1は抵抗R2を介してオペアンプOP
Aの正端子へ、ブリツジ7の出力端子Q2は抵抗R1を介し
てオペアンプOPAの負端子へそれぞれ接続される。
R3はオペアンプOPAの帰還抵抗、R4は分圧抵抗である。
抵抗R1乃至R4は温度変化に対して鈍感な抵抗で構成され
ている。
ダイヤフラムに圧力が作用するとブリツジ7の平衡がく
ずれ、出力端子Q1,Q2の電位V1,V2の電位差V1−V2がその
圧力に応じて変化する。
オペアンプOPA及び抵抗R1乃至R4で構成された平衡入力
型増幅回路10は、ブリツジ7の出力電圧V1−V2を所定の
出力電圧E0に増幅する。
前記出力電圧は第2図に示すようにゲージ抵抗の温度特
性により零点誤差とスパン誤差が含まれる。
ゲージ抵抗のスパン特性は第3図(a)に示すように温
度変化するが、ブリツジ7の入力端子P1に印加する電流
変化を第3図(b)に示すようにスパン温度特性の逆特
性として与えることで第3図(c)に示すごとくスパン
温度特性を相殺させることができる。
前記原理に基づいた温度と入力端子P1に印加させる電圧
の関係値をROM11に記憶させる。
温度センサ4により感知されるブリツジ周囲の温度を電
圧に変換し、増幅回路3、D/A2を介しCPU1に入力するこ
とで、その温度に対する印加すべき電圧値がROM11より
わかる。
この電圧データをD/A5に出力し、定電流回路6を介して
ブリツジの入力端子P1に与えることでスパン温度特性が
補正されるため、スパン誤差が相殺される。
抵抗RS3とRS4の値を適当に与えることで端子dに任意の
電位が与えられる。オペアンプOPSの正端子に与えられ
るc端子の電位Vは、D/Aで与えられる電位VDAと前
記d端子の電位V及び抵抗RS1,RS2により以下の式で
与えられる。
上記のごとく抵抗RS1とRS2を任意に与えることで、C端
子の電位を自在に変えることができるため、C端子電圧
を微小変化させる場合でもD/A5に大きな電位変化を与え
ることが可能でありA/D変換器の分解能による誤差を最
小限抑えることができ、高精度補償ができる。
ゲージ抵抗及びオペアンプOPS,OPZ,OPAのゼロ点温度特
性は第4図(a)に示すごとく温度変化するが、ブリツ
ジ7の出力端子Q1に印加する電圧変化を第4図(b)に
示すようにゼロ点温度特性の逆特性を与えることで第4
図(c)に示すごとくゼロ点温度特性誤差を相殺させる
ことができる。
上記原理に基づいた温度と入力端子Q1に印加させる電圧
の関係値をROM11に記憶させる。
温度センサ4、増幅回路3、A/D2によりブリツジ周囲の
温度がCPU1に与えられ、CPU1は温度に対する端子Q1に与
える電位を前記ROMにより得、その電圧データをD/A8に
出力し定電圧回路9に与えることで端子Q1にゼロ点温度
特性を補償するための電位を与えることができ、これに
より第4図(c)に示すごとくゼロ点誤差を相殺でき
る。
第5図にゼロ点とスパン温度特性を補償するための温度
と印加電圧の関係をROMに記憶させる手順の一例をフロ
ーチヤートにより示す。
第1図に示した回路構成をもつセンサ組立て後ブリツジ
7に一定電流が印加されるようD/A5及びD/A8をCPU1で制
御し、温度センサ4の増幅後の出力及びセンサ出力E0
モニタできるよう外部計測器を設置し、測定結果を記憶
し演算可能で計算結果を任意にROMに書込むことのでき
る計算機を前記測定器に接続する。
測定回数をi、任意の温をT、初期設定温度をT
温度変化量をTとしてはじめに設定し、計算機に記憶
させておき、センサの温度状態を次式のごとく設定す
る。
=T×i×T ダイヤフラムに大気圧Pが印加されている時の任意の
温度Tでのセンサ出力E0をf1(T)としてf
1(T)測定後、T、f1(T)を外部計算機に記
憶させる。
次に同温度Tでセンサに圧力Pを印加し、そのとき
のセンサ出力E0をf2(T)として、f2(T)測定
後、T,f2(T)を外部記憶部に記憶させる。
スパン出力をg(T)として、外部計算機でg
(T)を計算後、外部計算機に記憶させる。
以上のセンサ出力測定を、測定開始前に決めた測定回数
だけくり返し行なう。
測定終終了後、外部計算機でゼロ点出力(P=Pでの
スパン出力)f1(T)とTの関係を次式で近似する
ため最小2乗法により係数α乃至αを求める。
f(T)=α+α1T+α2T2+α3T3 次にf(T)の次式による逆特性F(T)を求めるため
同様に最小2乗法でA0乃至A3を求める。
F(T)=A0+A1T+A2T2+A3T3 次にスパン出力g(T)とTの関係を次式で近似す
るため最小2乗法により係数β乃至βを求める。
g(T)=β+β1T+β2T2+β3T3 次にg(T)の次式による逆特性G(T)を求めるため
最小2乗法によりβ乃至βを求める。
G(T)=β+β1T+β2T2+β3T3 以上により求めたF(T),G(T)の温度特性式を外部
計算機によりROMに記憶させる。
第二の調整方法について、第6図に示すフローチヤート
を用いて説明する。
例えば、あらかじめ異なる9種類の温度と温度補償値の
関係を記憶させてあるROMを用いることで温度補償工程
を簡略化したものである。
第1図に示したセンサ組立て後、圧力印加装置外部計算
機及び計測器を設置し、温度雰囲気T,印加圧力P
でのセンサ出力Vを測定し、計算機に記憶させ、次に
印加圧力Pでのセンサ出力Vを測定後、同様に計算
機に記憶させ、次にスパン出力V=V−Vを計算
し計算機に記憶させる。
第7図(a)に温度Tにおけるゼロ点出力Vとゼロ
点温度特性式との相関関係を示し、第7図(b)に温度
におけるスパン出力Vとスパン温度特性式の相関
関係を示す。
第7図(a)は乃至の領域に分けてあるが各領域で
のゼロ点温度補償に用いる中心特性が既知であるので、
前記Vをこの表に照合して該当する領域を選択し、そ
の領域番号を計算機に記憶させる。
ただし、各領域には幅があるので、中心特性からのずれ
が誤差となるのはまぬがれない。
第7図(b)も同様に乃至の領域に分けてあり、前
記Vに該当する領域を選択し、領域番号を記憶させ
る。
以上により選択されたゼロ点及びスパンの温度特性の組
を第8図より選択し、補償に必要なデータが記憶されて
いるROMの番地を指定する。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、感圧素子温度に
対応して感圧素子に流す電力を制御することにより、温
度依存性のない高精度な圧力センサを提供することがで
きる。
特にマイクロコンを用いて感圧素子データとこれに対応
した感圧素子電力データを記憶部に記憶させとくことに
より、調整作業を削除できるメリツトをもつている。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す回路図、第2図は圧力
検出器の出力誤差の種類を説明した図、第3図と第4図
は本発明による温度補償原理を説明するための特性図、
第5図,第6図はROMにデータを書込む手順を示すフロ
ーチヤート、第7図はゼロ点特性式とゼロ点出力の相関
図とスパン特性式とスパン出力の相関図、第8図は第6
図に示したROM作成手順に用いるROMに記憶されている特
性のパターンを示す図である。 1……マイクロコン、2……A/D変換器、3……増幅回
路、4……温度センサ、5……D/A変換器、6……定電
流駆動回路、7……ブリツジ(感圧部)、8……D/A変
換器、9……定電圧駆動回路、10……検出回路、11……
ROM。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ROMの内蔵されたマイクロコンピユータ
    と、圧力変動によつて変化する抵抗値によつて圧力を検
    出する圧力検出回路と、該回路に電力を供給して該回路
    を駆動する駆動回路と、前記圧力検出回路の雰囲気温度
    を検出する温度検出回路とよりなる圧力検出装置におい
    て、上記圧力検出回路を構成する素子に供給する電力の
    温度による変化特性より求められる温度特性補償電力を
    予め上記メモリに格納すると共に、上記マイクロコンピ
    ユータの指令に基づいて駆動しゼロドリフトを補償する
    ゼロ点補償回路を設け、上記温度検出回路により検出さ
    れた温度から当該温度における前記メモリに記憶されて
    いる圧力検出素子の温度特性補償電力を求め、最適温度
    補償供給電流を上記圧力検出回路の入力端子に最適温度
    補償供給電圧を上記圧力検出回路の出力端子に供給する
    ことを特徴とする圧力検出装置。
JP61073717A 1986-03-31 1986-03-31 圧力検出装置 Expired - Lifetime JPH0676941B2 (ja)

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