用於校正傳感器漂移的設備和方法
2023-10-11 19:00:49
專利名稱：用於校正傳感器漂移的設備和方法
發明簡述本發明總的涉及傳感裝置。更具體地，本發明涉及校正傳感器中的漂移的技術。
背景技術：
壓電電阻或電容傳感器產生正比於施加到其上的物理力的、電阻或電容的改變量。這樣的傳感器通常被放置在矽膜片上，以測量矽膜片的偏轉。
在這樣的傳感器的組件方面，有許多問題。例如，基於矽的壓電電阻壓力傳感器通過非常軟的、可塑的粘合劑而被附著到一個組件或基片上，以使得沒有殘餘的應力或力從該組件發送到傳感器。假如有應力發送到傳感器，傳感器的膜片被偏轉，在傳感單元處產生測量的電阻值，它錯誤地表示測量的壓力的改變。來自附著的處理過程的應力根據壓力感應的膜片偏轉的方向和大小可以加或減這個電阻改變。通常，最常被接受的校正技術適當地補償由於製造偏差和把傳感器附著到剛性基座的必要性造成的壓力傳感器的非理想特性。
當由於附著材料的應力消除，來自附著處理過程的應力隨時改變時，現有的校正技術出現一個問題。這個應力消除可以是由於傳感器的暴露，傳感器環境的改變，附著的材料的改變，和/或基座對各不相同的壓力和/或溫度的改變而造成的。假如基座、傳感器、和附著材料在熱膨脹方面沒有緊密地匹配，則任何溫度偏離額定值將產生正比於溫度膨脹的差值的、材料的應力差值和溫度差值。在小片附著材料是粘彈性物質的情形下，它將隨時流動，以便減小應力。這顯然對壓電電阻膜片有影響，也隨時改變電阻值。
典型的校正方法不能計及上述的電阻值的改變特性。大多數傳感器的電阻是溫度和壓力的函數。對這種實際活動建立模型的一個方法是使用以下形式的多項式公式
P＝M0+M1*T+M2*T2+M3*T3+(M4+M5*T+M6*T2+M7*T3)*V+(M8+M9*T+M10*T2+M11*T3)*V2+(M12+M13*T+M14*T2+M15*T3)*V3(公式I)P是加到膜片上的差分壓力。每個M項是導出的係數。T是傳感器膜片的溫度。V是傳感器結構的電阻的測量值。例如，V可以是由通過壓電電阻元件的恆定電流產生的電壓。
對於適配特定的壓力傳感器所需要的多項式的階數取決於各個製造過程、附著技術、和所需要的精度。對於壓力和溫度的二階適配通常已足夠，雖然有時需要對於壓力的二階適配和對於溫度的三階適配。
當使用非剛性小片附著材料時，公式I的M0項典型地隨時間和溫度改變。這個項通常稱為「偏移」，這是指在大多數傳感器中，當壓力是「零」時，膜片沒有偏轉，但仍舊有非零信號。這即使對於使用惠斯頓電橋電阻配置的傳感器也是這樣的，理想地，它可被設計為給出零信號，但由於製造公差，將產生小的信號。
這種老化現象可產生約0.5psi(磅/英寸2)的信號電平偏移。這種偏移或漂移在感興趣的整個壓力範圍內是相對恆定的。在40psi的壓力水平時，這相當於1.25％的誤差，而在5psi時，這相當於10％的誤差。這樣的誤差在大多數應用項中是不能接受的。
由顧客重新校正已漂移的壓力傳感器是不現實的或不可接受的。因此，特別希望提供具有校正漂移的能力的、改進的傳感裝置。理想地，這樣的傳感器響應於由本領域的顧客引用的相對較簡單的條件組，自動地自校正漂移。透徹的技術可以補償漂移因素，諸如傳感器老化，作為電壓和溫度條件的函數。
發明概要傳感器中校正漂移的方法包括識別校正命令的步驟。用於傳感器的標稱零壓力傳感器漂移校正因子是通過依賴於被固定在標稱零壓力條件下的校正電壓值和校正溫度值而被識別的。傳感器輸出隨後按照標稱零壓力傳感器漂移校正因子被調節。
本發明的設備包括微控制器和相關的電子裝置，它被配置來響應於被固定在標稱零壓力條件下的校正電壓值和校正溫度值確定用於傳感器的標稱零壓力傳感器漂移校正因子。傳感器輸出隨後由微控制器按照標稱零壓力傳感器漂移校正因子進行修正。
本發明提供校正壓電電阻和電容傳感器中的漂移的改進的技術。該技術響應於相對較簡單的條件組，自動地自校正漂移。有利地，該技術可補償漂移因素，諸如傳感器老化，作為在標稱零壓力條件下測量時的電壓和溫度條件的函數。零壓力傳感器漂移校正因子然後被應用到其它壓力條件，達到傳感器漂移的校正。
附圖簡述為了更好地了解本發明，應當結合附圖參考以下的詳細說明，其中
圖1示出按照本發明的實施例構建的傳感器漂移校準和校正設備。
圖2顯示可按照本發明被利用的計量傳感器。
圖3顯示按照本發明的實施例被利用的、傳感器和伴隨的電橋電路。
圖4顯示按照本發明的實施例執行的、傳感器漂移校準和校正處理步驟。
圖5顯示與圖4的第一處理步驟有關的處理步驟。
圖6顯示與圖4的、倒數第二處理步驟有關的處理步驟。
相同的標號在所有圖上是指相應的部件。
發明詳細描述圖1顯示按照本發明的實施例的、傳感器漂移校正設備20。設備20包括傳感器組件22。因為本發明建立對於傳感器漂移的校正，傳感器組件22可以是非密封的組件。
組件22包括流體可通過的導管24。導管24具有一個或多個功能性裝置，來監視或控制所通過的流體。例如，組件22可被實施為包括比例控制器26，溫度傳感器28，第一壓力傳感器30，積分控制器32，以及第二壓力傳感器34。本發明針對壓力傳感器的運行，諸如第一壓力傳感器30和第二壓力傳感器34。本領域技術人員將會看到，每個壓力傳感器可以結合圖1所示的那種功能性裝置，或結合功能性裝置的其它組合，被運行來建立裝置，諸如質量流控制器，壓力控制器，質量計，或壓力計。
來自位於組件22內的各個功能性單元的信號，通過單獨的線或總線36被分路到微控制器38(它包括相關的電子裝置，如有必要)。微控制器38執行被存儲在內部或外部存儲器40的一組程序。替換地，微控制器38和存儲器40可以是專用集成電路(ASIC)，場可編程邏輯器件(FPLD)，或本領域技術人員已知的其它等價的器件。不管實施方案，按照本發明執行一組指令。
如圖1所示，指令組總的特徵為包括初始參量技術條件模塊42，標準模式控制器模塊44，校準條件識別模塊46，傳感器漂移計算模塊48和傳感器漂移調節模式運行模塊50。下面討論這些模塊的每個模塊的功能。
圖2是按照本發明利用的壓力傳感器30(或34)的放大的側視圖。傳感器30包括帶有可偏轉的膜片61的微機的計量傳感器60。計量傳感器60通過非剛性粘合劑63被附著到基片62。由導管24中的流體產生的壓力，由箭頭64表示，運行來偏轉膜片61。外界的壓力，由箭頭65表示，抵消來自流體的壓力。對於以下的討論，假定周圍的壓力為已知的常數。理想地，不存在外界的壓力也就是在計量傳感器60的外部是真空、壓電電阻或電容單元66響應於膜片61的偏轉改變電阻值。從單元66產生的信號通過引線68從計量傳感器60傳送出。
圖3是傳感器30的頂視圖。圖上顯示計量傳感器60和放置在其上的壓電電阻或電容單元66的頂部。壓電電阻單元66作為電阻運行，形成熟知的電橋電路69的一部分。電橋電路69包括電阻R1，R2，R3和R4。電橋電路69可以被形成在被放置在傳感器60上的膜片中。輸出信號+Vout和-Vout被分路到微控制器38。使用電橋電路69和相關的計量傳感器60以得到表示電阻的改變的信號，在技術上是熟知的。在技術上也知道如何把電阻的改變映射到相應於在管道64中的流體的壓力的壓力值。本發明並不針對這些已知的技術，而是本發明針對處理這樣的信號，以便補償和校正與諸如計量傳感器60那樣的傳感器有關的漂移。
與本發明有關的處理步驟是結合圖4描述的。圖4所示的初始處理步驟是根據標稱零壓力條件確定初始參量(步驟70)。這個操作步驟可以由初始參量技術條件模塊42協調。這個操作步驟的特徵在於圖5。
轉到圖5，在確定初始參量時的第一步驟是在監視的管道中創建標稱零壓力條件(步驟72)。也就是，低的或零壓力條件被加到組件22的管道24。然後，測量的電壓和溫度值被固定在標稱零壓力條件(步驟74)。也就是，電橋電路69被使用來得出測量的電壓信號，以及溫度傳感器28被使用來得出溫度值。每個這些信號通過總線36被加到微控制器38。
零壓力值，測量的電壓值，和測量的溫度值然後被插入到壓力規定的多項式，諸如公式I(步驟76)。在多項式中需要的係數的數目規定所需要的壓力和溫度組合的數目。例如，V3XT3需要16個數據點。這典型地通過測量在四個溫度的每個溫度時的四個壓力而得到的。優選地，四個溫度跨越和稍微超過運行的溫度範圍。同樣地，四個壓力跨越和稍微超過運行的壓力範圍。壓力點之一應當是「零」，它在這裡被定義為低於約10乇(torr)的壓力(小於0.2psia)。因此，步驟76打算插入零壓力項，在零壓力時的測量的電壓值，以及在零壓力時的溫度值，加上附加的非零壓力電壓和溫度值，正如對於達到多項式的適當的配合所需要的。對於測量的壓力和電壓值的以後的參考值包括多個測量的壓力和電壓值，正如可能需要的。
微控制器38，在初始參量技術條件模塊42的控制下，隨後根據零壓力值，一個或多個測量的電壓值和一個或多個測量的溫度值，計算對於壓力規定的多項式的係數(步驟78)。這導致完全表示的壓力規定的多項式，它被存儲在存儲器40中。替換地，分開的計算機被使用來執行這個計算，完全表示的壓力規定的多項式的係數被下載到存儲器40中。
帶有係數M0-M15的、公式I的多項式藉助於例子被提供。其它的多項式可被使用，以及任何數目的技術可被使用來適配對於測量數值的多項式係數。
再次轉到圖4，下一個處理步驟是在標準模式下運行傳感器(步驟80)。在標準模式下，正如由標準模式控制模塊44控制的，測量電壓和溫度值被插入到壓力規定的多項式中，例如公式I中，以及壓力(P)由微控制器38計算。
壓力傳感器30在擴展的時間間隔內可以運行在這個模式。然而，實際上，傳感器30的精度將開始漂移。因此，必須進行校正。按照本發明，微控制器38被配置來識別校準命令(步驟82)。例如，微控制器38的校準條件識別模塊可被配置來在大於30秒的時間間隔內識別以小於10乇的壓力信號的形式的校準命令和被給予比例控制器26和積分控制器36的5伏滿量程的命令。加到與傳感器有關的功能性元件的其它外部條件也可被使用，正如本領域技術人員將會看到的。響應於這樣的條件，確定標稱零壓力傳感器漂移校正因子。與這個操作有關的處理是在圖6上公開的。
圖6所示的第一步驟是在監視的管道中創建標稱零壓力條件(步驟72)。這是在圖5上描述的相同的步驟。測量的電壓和溫度值然後被固定在標稱零壓力條件(步驟74)。這個步驟類似於在圖5上描述的步驟，但在本事例中，測量的電壓值將可能是不同於初始的讀數，反映傳感器60的漂移。微控制器38，結合傳感器漂移計算模塊48運行，然後輸出標稱零壓力傳感器漂移校正因子，諸如電壓項V(P＝0，t＝j，T＝k)，表示在零壓力條件(P＝0)在時間j(t＝j)溫度(T＝k)下的電壓值V。替換地，壓力項可被用作為輸出，諸如壓力項P(P＝0，t＝j，T＝k)，表示在零壓力條件(P＝0)在時間j(t＝j)和溫度(T＝k)下的壓力值P。
轉到圖4，圖上所示的最後處理步驟是鑑於標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節傳感器輸出(步驟88)。這個步驟可以用傳感器漂移調節模式操作模塊50來實施。如上所述，標稱零壓力傳感器漂移校正因子可以是電壓項V(P＝0，t＝j，T＝k)，或壓力項P(P＝0，t＝j，T＝k)。在電壓項的情況下，新的變量V*被插入到特定的壓力規定的多項式。新的變量V*被表示為V*(P＝x，t＝j，T＝k)＝V(P＝x，t＝j，T＝k)。V(P＝0，t＝j，T＝k) (公式II)因此，標稱零壓力傳感器漂移校正因子V(P＝0，t＝j，T＝k)從現在測量的電壓信號V(P＝x，t＝j，T＝k)中被減去，差值被插入到特定的壓力規定的多項式的電壓項。而且，壓力規定的多項式的第一係數M0在公式I中被設置為零。可以看到，在初始校準點(t＝0)，V*(P＝0，t＝0，T＝k)＝0。
為了考慮在零壓力時電阻的溫度依賴性，求解以下的多項式V(P＝0，t＝0，T＝k)＝N(P＝0，t＝0)+N1*Tk+N2Tk2(公式III)在某個以後的時間，t＝j，測量V(P＝0，t＝j，T＝k)。然後通過使用V(P＝0，t＝0，T＝k)代替方程III中的V(P＝0，t＝j，T＝k)，解出N(P＝0，t＝j)。則V*(P＝x，t＝j，T＝k)＝V(P＝x，t＝j，T＝k)-(N(P＝0，t＝j)+N1*Tk+N2*Tk2) (公式IV)來自公式IV的V*現在結合來自公式I的原先的係數被使用來求解在時間j(t＝j)和溫度k(T＝j)下的壓力(P)。
回想到特定的壓力規定的多項式具有由原先的零壓力條件規定的係數。在這時處理的壓力項(V*)考慮到在特定的溫度下的傳感器漂移，正如在項V(P＝0，t＝j，T＝k)中反映的。
實驗證明，對於標稱零壓力條件(P＝0)，應當使用低於10乇的壓力。如果使用較高的「零」壓力，則校準的精度降低。對於以後的校準，「零」壓力應當等於或低於原先的值，否則精度會降低。
以上說明了使用電壓項作為傳感器漂移校正因子，本領域技術人員將會看到，壓力規定的多項式的初始係數組可以通過使用V*項被計算。具體地，在初始校準點(V*＝0)時的V*的數值可被插入到公式I。M0項被設置為零，以及根據零壓力項、在零壓力時的測量的溫度、和附加的溫度與壓力值，計算係數值，正如確定適配所需要的。
現在已全面描述了使用電壓項作為傳感器漂移校正因子。如上所述。壓力項也可被使用作為傳感器漂移校正因子。具體地，在校準後的某個時間，原先的係數被使用來根據在該時間的「零」壓力信號計算壓力讀數。這個壓力，P(P＝0，t＝j，T＝k)，然後從以後計算的所有的壓力中減去。數學上，對於其中X＞0的所有的數值，調整的壓力被計算為如下
P*(P＝x，t＝j，T＝k)＝P(P＝x，t＝j，T＝k)-P(P＝0，t＝j，T＝k)(公式V)P(P＝x，t＝j，T＝k)以及P(P＝0，t＝j，T＝k)通過使用特定的壓力規定的多項式(例如，公式I中的多項式)被計算。P*由微控制器38使用公式V被計算。然後P*被用作為實際的傳感的壓力。周期地，這個程序過程重複進行。也就是，得到了P(P＝0，t＝j，T＝k)，因此，算法被更新。如果使用按照公式IV的處理，則處理過程以同樣的方式重複進行。
為了說明起見，以上的說明使用特定的專門術語來給出對本發明的透徹的了解。然而，本領域技術人員將會看到，為了實施本發明並不需要特定的細節。在其它事例中，熟知的電路和裝置以方框圖的形式來表示，以避免對於基本的發明的不必要的分心。因此，本發明的特定的實施例的上述的說明是為了說明和描述的目的給出的。這些說明不打算是窮舉的，或限制本發明為所公開的精確的形式，顯然，對於以上的教導，可能有許多修改方案和變例。為了最好地說明本發明的原理和它的實際應用，選擇和描述了實施例，由此使得本領域其它技術人員最好地利用本發明和帶有適合於打算的特定的使用的各種修改的各種實施例。本發明的範圍意於由以下的權利要求和它們的等同替換來限定。
權利要求
1.一種校正傳感器中的漂移的方法，所述方法包括以下步驟識別校準命令；根據被固定在標稱零壓力條件下的校正電壓值和校正溫度值，確定用於所述傳感器的標稱零壓力傳感器漂移校正因子；以及按照標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節傳感器輸出。
2.權利要求1的方法，還包括在所述識別步驟以前執行的以下的步驟在與所述傳感器有關的管道中創建標稱零壓力條件；把測量的電壓值和測量的溫度值固定在所述標稱零壓力條件；把零壓力項、所述測量的電壓值和所述測量的溫度值插入到壓力規定的多項式；以及計算所述壓力規定的多項式的係數，以便確定特定的壓力規定的多項式。
3.權利要求2的方法，其中所述調節步驟包括用所述標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節新的測量的電壓信號的步驟，以便確定補償的電壓信號。
4.權利要求3的方法，還包括把所述補償電壓信號插入到所述特定的壓力規定的多項式的步驟。
5.權利要求1的方法，其中所述調節步驟包括用所述標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節測量的壓力信號的步驟。
6.權利要求1的方法，其中所述識別步驟響應於被加到與所述壓電電阻傳感器有關的功能性元件的預定的條件組。
7.一種校正傳感器中的漂移的設備，包括微控制器，被配置來響應於被固定在標稱零壓力條件下的校正電壓值和校正溫度值，確定用於傳感器的標稱零壓力傳感器漂移校正因子；以及按照標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節傳感器輸出。
8.權利要求7的設備，其中所述微控制器被配置來把零壓力項、所述測量的電壓值和所述測量的溫度值插入到壓力規定的多項式；以及計算所述壓力規定的多項式的係數，以便確定特定的壓力規定的多項式。
9.權利要求8的設備，其中所述微控制器用所述標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節傳感器輸出，以便確定補償的電壓信號。
10.權利要求9的設備，其中所述微控制器把所述補償電壓信號插入到所述特定的壓力規定的多項式。
11.權利要求9的設備，其中所述微控制器通過用所述標稱零壓力傳感器漂移校正因子調節測量的壓力信號來調節傳感器輸出。
12.權利要求7的設備，其中所述微控制器被配置來響應於預定的測量條件組確定所述標稱零壓力傳感器漂移校正因子。
13.權利要求7的設備，其中所述微控制器被連接到從包含下列單元的組中選擇的功能性單元質量流控制器，壓力控制器，質量計，和壓力計。
14.權利要求7的設備，其中傳感器包括計量傳感器。
15.權利要求14的設備，還包括包含有所述計量傳感器的非密封的組件。
全文摘要
傳感器漂移校正設備(20)包括傳感器組件(22),它包括流體導管(24),比例控制器(26),溫度傳感器(28),第一壓力傳感器(30),積分控制器(32)以及第二壓力傳感器(34)。總線(36)把第一壓力傳感器(30)等連接到具有相關的內部或外部存儲器(40)的微控制器(38)。在存儲器(40)中包括有初始參量技術條件模塊(42),標準模式控制器模塊(44),校準條件識別模塊(46),傳感器漂移校準模塊(48)和傳感器漂移調節模式運行模塊(50),它們一起用來識別校準命令,通過依賴於被固定在標稱零電壓條件的校準電壓值和以後隨之調節傳感器輸出而識別用於傳感器(30,34)的標稱零壓力漂移校正因子。
文檔編號G01D3/028GK1348541SQ00806722
公開日2002年5月8日 申請日期2000年2月15日 優先權日1999年2月25日
發明者J·M·哈裡斯, B·塔赫裡, E·阿基利克 申請人:紅木微系統公司