一種自動(dòng)參考的壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種自動(dòng)參考的壓力傳感器。一種壓力傳感器，通過使傳感器經(jīng)受一個(gè)很短時(shí)間的參考?jí)毫磉M(jìn)行自動(dòng)地電子校準(zhǔn)。在傳感器的電力輸出自動(dòng)調(diào)整到參考?jí)毫λ璧闹灯陂g，校準(zhǔn)步驟就可以在進(jìn)行測(cè)量之前完成，或者在保證校準(zhǔn)步驟間讀數(shù)精確度的周期間隔內(nèi)完成。
【專利說明】一種自動(dòng)參考的壓カ傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]壓カ傳感器已經(jīng)越來越小型化，并且得到改進(jìn)，使得壓カ的精確讀數(shù)在ー個(gè)十分可靠和牢固的裝置中轉(zhuǎn)換成ー個(gè)模擬電壓信號(hào)。此外，如今的裝置可以做得非常小而且非常便宜。因此，這樣的裝置在許多應(yīng)用中被廣泛地使用。模擬輸出信號(hào)可以很容易地以所需要的值在顯示器或是指示器上顯示，或者可以被用來控制其他裝置以響應(yīng)壓カ條件。例如，如果壓カ指示器用于ー個(gè)高度計(jì)，高度就可以顯示出來，或者以模擬電壓信號(hào)的形式耦合在飛行器的控制裝置上。在水下應(yīng)用中，壓カ可以轉(zhuǎn)換為深度條件以及(或是)控制信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于傳感器規(guī)格，主要有三個(gè)特性:偏置，靈敏度和跨度?？缍戎傅氖怯秒妷罕硎緣亥姆秶?。例如，如果ー個(gè)特殊的液體傳感器的壓カ范圍是0到100千帕，并且其輸出范圍為2.5到12.5伏,則跨度就表示為10伏和100千帕。I伏就表示10千帕。因?yàn)?千帕由2.5伏表示,所以偏置就為2.5伏。
[0003]商用的傳感器的特性具有廣泛的選擇性。例如，跨度和靈敏度特性不受眾多變化因素的影響，這些特性在生產(chǎn)中大部分已經(jīng)固定于元器件中。偏置特性是最受漂移或者變化因素影響的。這樣的變化可以是短時(shí)間的與環(huán)境條件相關(guān)的誤差，或是長時(shí)間的與漂移相關(guān)的誤差。因?yàn)檫@些偏置誤差影響了在任何壓カ情況下的讀數(shù)的精確度，所以很有必要使其盡可能地獲得補(bǔ)償。在先前的技術(shù)中，這ー步是由實(shí)際較準(zhǔn)來完成的，以被認(rèn)為是需要的和實(shí)用的頻率重復(fù)進(jìn)行。事實(shí)上，精度可以接受的程度是至少要使系統(tǒng)可用。使校準(zhǔn)過程自動(dòng)化和機(jī)械化是十分需要的，這樣ー來，任何范圍都能用于精確的讀數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的ー個(gè)目的是提供壓カ傳感器自動(dòng)校準(zhǔn)的方法。
[0005]本發(fā)明的進(jìn)ー步目的是使用數(shù)字控制電路來產(chǎn)生一個(gè)變化的模擬電壓，并且可以持續(xù)，以及定期地恢復(fù)，該電壓可以為壓カ傳感器提供校準(zhǔn)值。
[0006]本發(fā)明的特點(diǎn)是壓カ傳感器的精確校準(zhǔn)可以按照需要自動(dòng)完成。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
本發(fā)明提供了ー個(gè)壓カ傳感器，可以按照需要建立ー個(gè)已知的參考輸入壓力，以及具有變化校準(zhǔn)電壓的電子輸出。參考環(huán)境的控制應(yīng)用于傳感器，持續(xù)ー小段時(shí)間。ー個(gè)自動(dòng)參考電路在相同的時(shí)間段內(nèi)被激活。該電路自動(dòng)改變可變的校準(zhǔn)電壓，直到獲得與傳感器所需的參考?jí)亥淖x數(shù)相應(yīng)的讀數(shù)。之后，電路保持該電壓，直到接收到下一次校準(zhǔn)控制。因此，傳感器的偏置就能按照需要自動(dòng)校準(zhǔn)。在ー個(gè)模型中，校準(zhǔn)步驟受控于讀數(shù)之前。該模型用于需要相關(guān)頻率讀數(shù)的環(huán)境中。此外，校準(zhǔn)步驟在既定的間隔內(nèi)受控，間隔需要通過選擇來避免任何的漂移趨勢(shì)。間隔要設(shè)置得足夠長，防止影響到所需的讀數(shù)。例如，在ー個(gè)監(jiān)控連續(xù)過程的壓カ傳感器中，通過完成校準(zhǔn)步驟來維持所需的精度，但是校準(zhǔn)是有條件的，這樣ー來就不會(huì)影響到過程控制。[0008]對(duì)比專利文獻(xiàn):CN201611289 U壓力傳感器201020154424.0 【專利附圖】

【附圖說明】:
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在附圖中示出，其中: 圖1展示了本發(fā)明原理的框圖；
圖2展示了使用本發(fā)明的系統(tǒng)的詳細(xì)框圖；
圖3展示了圖2中電子部分細(xì)節(jié)的邏輯圖；
圖4展示了圖3中信號(hào)時(shí)序的波形圖；
圖5展示了圖3中計(jì)數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器部件的一個(gè)可選方案；
圖6展示了真空中進(jìn)行自動(dòng)零參考的局部細(xì)節(jié)框圖。
[0009]【具體實(shí)施方式】:
根據(jù)圖1，框圖展示了本發(fā)明的原理。傳感器10是需要被校準(zhǔn)的元件。當(dāng)本發(fā)明涉及 到任何將物理量轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)的傳感器，給出的具體實(shí)例就與壓力傳感器相關(guān)，更特 別的是，與流體壓力傳感器相關(guān)。將要測(cè)量的量或是被測(cè)量可以通過一個(gè)耦合在傳感器10 上的流體管道11得以應(yīng)用。傳輸線12上的輸出是一個(gè)與壓力相關(guān)的模擬電壓。舉個(gè)例子 來說，當(dāng)輸入壓力的范圍為0到100千帕?xí)r，傳感器10可以產(chǎn)生2.5到12.5伏的輸出。另 一個(gè)版本可以在壓力超過-5到15千帕范圍時(shí)產(chǎn)生相同的電壓。兩個(gè)例子的敏感度分別為 0.1和0.5伏每千帕。
[0010]在本發(fā)明中，一個(gè)機(jī)械的參考條件驅(qū)動(dòng)器13耦合在傳感器10的輸入端。當(dāng)開始 驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器13將一個(gè)參考?jí)毫?yīng)用在傳感器上。壓力值在傳感器的操作范圍內(nèi)選擇。 在上面?zhèn)鞲衅鞯睦又校?5到15千帕的設(shè)備將會(huì)采用一個(gè)在其范圍內(nèi)的參考?jí)毫Α＿@樣， 空氣或者零千帕就能很好地起到作用。在0到100千帕設(shè)備中，零狀態(tài)可以在真空中快速 引用。接下來將會(huì)討論到，當(dāng)空氣存在于任何條件下，真空條件就是最可靠，最絕對(duì)的，并且 容易獲得。
[0011]參考條件適用于一段很短的由驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換開關(guān)14控制的時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換開 關(guān)14根據(jù)由自動(dòng)參考15產(chǎn)生信號(hào)來工作。校準(zhǔn)時(shí)序由開關(guān)16控制。當(dāng)開關(guān)16是一個(gè)瞬 時(shí)裝置時(shí)，它就可以很容易地由一個(gè)電子脈沖或是其他由相關(guān)設(shè)備元件產(chǎn)生的信號(hào)代替。
[0012]因?yàn)樵S多不同的裝置中有許多壓力傳感器的應(yīng)用，所以實(shí)際的校準(zhǔn)方案就要考慮 到很多因素。舉個(gè)例子，當(dāng)測(cè)量讀數(shù)發(fā)生在出現(xiàn)次數(shù)相對(duì)較少的情況下，例如在下雨時(shí)，大 氣壓力，等層壓力等情況下的遠(yuǎn)程測(cè)量，通常的方法是在讀數(shù)之前進(jìn)行校正。在這種情況 下，指令序列可以是:1.通電；2.是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；3.校正；4.測(cè)量；5.斷電。
[0013]在過程控制中，校準(zhǔn)可以在不影響基本控制系統(tǒng)的情況下進(jìn)行。在這里，過程許可 將會(huì)十分頻繁地進(jìn)行，以此來保證讀數(shù)精度。
[0014]圖2是一個(gè)典型參考系統(tǒng)的框圖。傳感器10耦合在由控件21控制的閥門20上， 閥門20是一個(gè)由晶體管開關(guān)(圖中未畫出)驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)易螺線管裝置。當(dāng)位于其正常位置時(shí)， 閥門20就將傳感器10通過導(dǎo)管11耦合到被測(cè)變量上。當(dāng)位于其動(dòng)作狀態(tài)時(shí)，閥門20就 將傳感器10耦合到參考?jí)毫κ?2上。當(dāng)傳感器的范圍包括0千帕?xí)r，參考?jí)毫?2就可以 是一個(gè)通過已知的常見方法(未給出)維持在真空狀態(tài)的真空室。其他參考?jí)毫χ蛋?千 帕?xí)r的空氣也可以被使用。實(shí)際值被選擇來與傳感器10的范圍相適應(yīng)。
[0015]傳感器10的輸出通過加法器23和放大器24耦合到上述的使用設(shè)備16上。一個(gè) 校準(zhǔn)電壓通過傳輸線25提供給加法器23。傳輸線25上的校準(zhǔn)電壓是一個(gè)位于校準(zhǔn)值之間的固定值，并且可以通過調(diào)整成新的值以適應(yīng)校準(zhǔn)值。由計(jì)數(shù)器27控制的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 26提供這樣的電壓。只要計(jì)數(shù)器27中的數(shù)固定，轉(zhuǎn)換器26的輸出電壓就會(huì)保持不變。計(jì)數(shù)器27中的數(shù)唯一會(huì)變化的時(shí)間是門28允許來自時(shí)鐘29的脈沖通過。該過程由鎖存器30控制。一個(gè)位于端子31處的控制脈沖將會(huì)設(shè)置鎖存器30。重置過程由比較器32完成。
[0016]校準(zhǔn)序列如下:該過程由一個(gè)位于31處的控制脈沖開始。該脈沖設(shè)置了鎖存器30，并且通過反相器對(duì)計(jì)數(shù)器27清零。鎖存器30的設(shè)置使得傳感器10通過閥門20和控件21受控于參考?jí)毫?2。鎖存器30在設(shè)置的時(shí)候同樣導(dǎo)通門28，這樣一來，時(shí)鐘發(fā)生器29就向計(jì)數(shù)器27提供脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)器27響應(yīng)時(shí)鐘脈沖時(shí)，轉(zhuǎn)換器26的輸出就會(huì)改變。因此，比較器32的輸入就會(huì)改變。QUOTEVmsf 34是當(dāng)傳感器感測(cè)到參考?jí)毫r(shí)從放大器24中預(yù)選的，并且等于所需的輸出。因此，當(dāng)進(jìn)入比較器32的電壓達(dá)到QUOTE Vref ,它就會(huì)重置鎖存器30，并且停止計(jì)數(shù)器27的計(jì)數(shù)。這時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行自動(dòng)校準(zhǔn)。由控件21和閥門20重置的鎖存器將傳感器10的輸入返回到導(dǎo)管11。一個(gè)在端子35處獲得的“占線信號(hào)”可以在系統(tǒng)處于校準(zhǔn)模式時(shí)用來進(jìn)行電力指示。如果需要的話，該過程可以用來避免使用設(shè)備16被校準(zhǔn)過程擾亂。
[0017]例子1:
圖3是一個(gè)自動(dòng)參考系統(tǒng)的邏輯圖，該系統(tǒng)能起到圖2框圖的作用。其中使用了合適的公共參考數(shù)字符號(hào)。構(gòu)成圖3的主要元件如下:數(shù)模轉(zhuǎn)換器26 — ad-7520 ;計(jì)數(shù)器27—74cl93 ;與非門一74coo與非門；放大器一Im324運(yùn)算放大器；穩(wěn)壓器52 — Im342 ;電阻_r一
10千歐(圖中有6個(gè))；二極管一一般為硅二極管；電阻45— 200千歐；電阻46—100千歐；電容47 — 0.01微法。
[0018]鎖存器30由兩個(gè)與非門41和42組成，其輸出控制著與非門28。時(shí)鐘發(fā)生器29由兩個(gè)反相連接的與非門43和44組成，與非門43和44又連接著電阻45、46和電容47。無源元件被選擇來控制時(shí)鐘發(fā)生器的頻率大約為500Hz。
[0019]圖4是一個(gè)與圖3相關(guān)的波形圖。波形31’表示應(yīng)用于控制端子31的控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)31’為低電平時(shí)，它就對(duì)鎖存器30進(jìn)行設(shè)置，并通過連接在與非門33上的反相器使計(jì)數(shù)器27清零。設(shè)置鎖存器30的過程將來自時(shí)鐘發(fā)生器29的脈沖應(yīng)用到計(jì)數(shù)器27的輸入端。波形35’通過連接在與非門50上的反相器將門30的動(dòng)作表示在端子35上。設(shè)置鎖存器30以10瓦的功率驅(qū)動(dòng)“占線”輸出，并且導(dǎo)通門28使得時(shí)鐘脈沖通過。計(jì)數(shù)器27有10條傳輸線輸出，由兩個(gè)半四位數(shù)字計(jì)數(shù)器組成，控制加計(jì)數(shù)模式。當(dāng)被清零時(shí)，計(jì)數(shù)器27就會(huì)歸零，并且一直保持，直到31處的控制輸入變?yōu)楦唠娖健４藭r(shí)，計(jì)數(shù)器被激活，開始對(duì)來自時(shí)鐘發(fā)生器29的信號(hào)累加計(jì)數(shù)。因?yàn)橛?0線輸出，所以計(jì)數(shù)可以達(dá)到1024，用時(shí)略多于兩秒。如波形26’所示，在計(jì)數(shù)間隔內(nèi)，轉(zhuǎn)換器26與運(yùn)算放大器51 —起產(chǎn)生一個(gè)衰減電壓。穩(wěn)壓器52產(chǎn)生5伏輸出，這樣，波形26’的高電平就開始于5伏，并且衰減至最小值零。
[0020]在該例子中，該設(shè)備具有的輸出范圍為+2.5到12.5伏。自動(dòng)參考的零點(diǎn)在真空中位于+2.5伏。于是，節(jié)點(diǎn)34處的QUOTE Frff 就被精確設(shè)置為2.5伏。盡管沒有給出，但是該值還是通過一個(gè)連接在+5伏和地之間的精確電阻以2:1分壓得到。
[0021]傳感器的輸出應(yīng)用在端子53上，通過加法器23耦合在放大器54和55上，放大器54和55又耦合在輸出端56上。因?yàn)樗袠?biāo)記為R的電阻都具有同樣的阻值，所以放大器僅僅是以單位增益進(jìn)行反相。因此，傳輸線56的輸出將會(huì)跟隨輸入。端子57處可以獲得ー個(gè)互補(bǔ)輸出。
[0022]因?yàn)閭鞲衅魇窃谡婵障逻M(jìn)行參考的，所以當(dāng)其輸出為2.5伏時(shí)(等于QUOTE Fref巧?ぼ)，其就為精確的。但是，因?yàn)閷?duì)計(jì)數(shù)器27清零從轉(zhuǎn)換器26產(chǎn)生了ー個(gè)5伏輸出，所以端子56處的電壓就會(huì)開始變?yōu)楦唠娖?。這就意味著比較器32的輸出將為高電平。當(dāng)轉(zhuǎn)換器26的電壓因?yàn)槔奂佑?jì)數(shù)而衰減時(shí)，在某ー時(shí)刻，端子56處的電壓將會(huì)越過2.5 QUOTE1-7REF Vref級(jí)。在那一瞬間，比較器32的輸出變?yōu)榈碗娖?，并且重置鎖存器30，同時(shí)阻斷時(shí)鐘脈沖流向計(jì)數(shù)器27。如果傳感器是精確的，圖4中的波形26’就會(huì)在2.5伏處趨于平穩(wěn)，如圖中虛線所示。如果傳感器不是精確的，可以看到，當(dāng)端子56處輸出為2.5伏吋，上述動(dòng)作將會(huì)停止計(jì)數(shù)。因此，來自轉(zhuǎn)換器26的輸出電壓將會(huì)提供一個(gè)高于或低于實(shí)際傳感器輸出的電壓，以便修正或是校準(zhǔn)讀數(shù)。校準(zhǔn)電壓將會(huì)保持在ー個(gè)既定的水平，直到下一個(gè)控制脈沖出現(xiàn)在控制端31。 [0023]該系統(tǒng)在最大級(jí)數(shù)為1024的電壓跨度范圍為5伏，因此可以提供大約5毫伏的分辨率。這大約是傳感器輸出全量程的0.1%。如果需要更高的精度，可以增加計(jì)數(shù)。例如，對(duì)計(jì)數(shù)器27—轉(zhuǎn)換器26的組合每増加一條傳輸線就能將分辨率和精度提升兩倍。
[0024]例子2:
自動(dòng)校零裝置的ー個(gè)更簡(jiǎn)單的版本如圖5所示。比較器27的型號(hào)為CD4024C。本例中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器26包括ー個(gè)電阻階梯60和運(yùn)算放大器61。階梯60中的電阻阻值R為40K±1%。符號(hào)2R表示為兩個(gè)40K歐電阻串聯(lián)組成的電阻。因此，標(biāo)記為2R的元件每ー個(gè)為80K歐。電子62為40K歐，電阻63為5K歐。如圖3所示，電阻62為加法器23的ー個(gè)電阻。因?yàn)橛?jì)數(shù)器27有7條傳輸線，所以可以計(jì)數(shù)到128，并且放大器的輸出在2伏范圍內(nèi)的
每ー個(gè)電壓級(jí)為15毫伏。在該例子中，電壓范圍減少了大約
【權(quán)利要求】
1.一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:在一個(gè)可以提供代表外加電壓絕對(duì)值的模擬電勢(shì)，也就是校準(zhǔn)上述傳感器，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參考電壓的絕對(duì)壓力傳感器中，校準(zhǔn)的方法包括:在上述傳感器輸入端產(chǎn)生持續(xù)一段受控時(shí)間的，對(duì)參考?jí)毫M(jìn)行控制的方法；在上述時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生可變校準(zhǔn)電勢(shì)的方法；產(chǎn)生代表上述參考?jí)毫λ璧膫鞲衅鬏敵龅膮⒖茧妱?shì)的方法；停止上述校準(zhǔn)電勢(shì)變化，以及使得校準(zhǔn)電勢(shì)在上述輸出值等于上述參考電勢(shì)時(shí)保持固定的方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:校準(zhǔn)方法中的上述參考?jí)毫κ窃谡婵諣顟B(tài)下的，上述真空狀態(tài)代表一個(gè)至少低于傳感器壓力示值滿量程百分之一的絕對(duì)壓力。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:校準(zhǔn)方法中的上述參考?jí)毫κ窃诳諝庵械摹?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:校準(zhǔn)方法中的受控時(shí)間被控制，來在預(yù)先決定的獲得精確壓力測(cè)量之前的時(shí)間間隔起內(nèi)作用；校準(zhǔn)方法中的受控時(shí)間產(chǎn)生在間隔的時(shí)間段，壓力讀數(shù)在作為結(jié)果的時(shí)間段之間被采用為所需要的讀數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:在校準(zhǔn)壓力傳感器的過程中，上述傳感器包括將壓力輸入按比例轉(zhuǎn)化成電勢(shì)輸出，該步驟包括:在上述輸出電勢(shì)中加入一個(gè)可變校準(zhǔn)電勢(shì)，以此來產(chǎn)生一個(gè)校準(zhǔn)過的輸出電勢(shì)；之后對(duì)在上述輸入端建立的參考電壓環(huán)境進(jìn)行臨時(shí)控制；之后，上述控制會(huì)改變上述可變校準(zhǔn)電勢(shì)；在上述校準(zhǔn)過的輸出電勢(shì)達(dá)到所需值時(shí)，停止上述可變校準(zhǔn)電勢(shì)的變化；使得上述可變校準(zhǔn)電勢(shì)固定在一個(gè)水平上，直到之后的控制命令再校準(zhǔn)；恢復(fù)上述輸入端至其測(cè)量狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:上述參考環(huán)境大致為零，上述所需電勢(shì)參考上述傳感器輸出為零電勢(shì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:上述控制在充分提前于臨界讀數(shù)時(shí)被給出，以此來在上述讀數(shù)之前完成上述校準(zhǔn)；上述校準(zhǔn)過程在選定的間隔內(nèi)重復(fù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種自動(dòng)參考的壓力傳感器，其特征是:上述可變校準(zhǔn)電勢(shì)由一個(gè)受控于數(shù)字計(jì)數(shù)器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，上述控制信號(hào)控制計(jì)數(shù)器的重置，上述停止信號(hào)使上述計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)停止。
【文檔編號(hào)】G01L27/00GK103604560SQ201310541670
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月6日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請(qǐng)人:蘇州貝克微電子有限公司