CN105258846A - 一种压力传感器校准的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器校准的方法和装置，所述方法包括将待校准的压力传感器的使用温区分成两个或多个测试温区；在每个测试温区内选取多组校准点，根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，所述校准方程是关于温度和压力的二元方程；根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程；使用选取的校准方程对所述待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。本发明的计算方案相比于传统方案，能够提高待校准的压力传感器在其全工作温区内的校准精度。

Description

一种压力传感器校准的方法和装置

技术领域

本发明涉及校准技术领域，特别涉及一种压力传感器校准的方法和装置。

背景技术

目前，现有压力传感器一般采用下述方式进行压力校准：

在压力传感器的使用温区内选取多温度点作为校准点，即选用多组温度数据和压力数据作为校准数据，以得出压力传感器的压力输出与原始压力和环境温度的二阶计算方程，从而实现压力传感器的压力校准。

但当压力传感器使用温区较宽时，使得各校准温度点间隔较大，导致校准温度点的中间温度点压力精度差，从而影响压力传感器的校准精度。

发明内容

本发明提供了一种压力传感器校准的方法和装置，以提高压力传感器的压力输出精度。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一方面，本发明提供了一种压力传感器校准的方法，所述方法包括：

将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或多个测试温区；

在每个测试温区内选取多组校准点，根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，所述校准方程是关于温度和压力的二元方程；

根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程；

使用选取的校准方程对所述待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

其中，所述根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程包括：

建立该测试温区的校准方程模型，所述校准方程模型包括待求解的校准系数；

将每组校准点的测试温度和测试压力代入所述校准方程模型中；

根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

优选地，所述每个测试温区采用相同形式的校准方程模型；

或者，所述每个测试温区采用不相同形式的校准方程模型。

优选地，在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

优选地，所述在每个测试温区内选取多组校准点包括：

所述多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处；

或者，所述多组校准点均匀分布在每个测试温区内。

另一方面，本发明提供了一种压力传感器校准的装置，包括：

温区分区单元，用于将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或多个测试温区；

计算存储单元，用于在每个测试温区内选取多组校准点，根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，所述校准方程是关于温度和压力的二元方程；

选择单元，用于根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程；

压力校准单元，用于使用选取的校准方程对所述待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

优选地，所述计算存储单元包括：

模型建立模块，用于建立该测试温区的校准方程模型，所述校准方程模型包括待求解的校准系数；

数据代入模块，用于将每组校准点的测试温度和测试压力代入所述校准方程模型中；

系数求解模块，用于根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

优选地，所述模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式相同；

或者，所述模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式不同。

优选地，所述计算存储单元在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

优选地，所述计算存储单元在每个测试温区内选取的多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处，或者均匀分布在每个测试温区内。

本发明实施例的有益效果是：本发明公开了一种压力传感器校准的方法和装置，所述方法通过将待校准的压力传感器的工作温区分隔成多个测试温区，并根据该待校准的压力传感器的测试温度和测试压力建立每个测试温区的校准方程，使用时根据当前的环境温度选择相应的测试温区的校准方程，通过选取的校准方程对该待校准的压力传感器的原始压力进行校准，获得校准后的压力输出，从而提高压力传感器的全工作温区的校准精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的压力传感器校准的方法流程图；

图2为本发明实施例提供的采用分隔温区的校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图；

图3为本发明实施例提供的采用传统校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图；

图4为本发明实施例提供的采用分隔温区校准点的传统校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图；

图5为本发明实施提供的压力传感器校准的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的整体设计思想是：将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或两个以上的测试温区，根据该待校准的压力传感器的测试温度和测试压力计算得到每个测试温区的校准方程，使用时根据当前的环境温度选择相应的测试温区的校准方程对该待校准的压力传感器的原始压力进行校准，获得校准后的压力输出。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明实施例提供的压力传感器校准的方法流程图，该方法包括：

S100，将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或多个测试温区。

本步骤中可以根据对压力传感器校准精度的需求设定测试温区的个数，优选地将测试温区分隔为高温区和低温区两个测试温区。

S200，在每个测试温区内选取多组校准点，根据多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，其中校准方程是关于温度和压力的二元方程。

本步骤中的根据多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程包括：

建立该测试温区的校准方程模型，该校准方程模型包括待求解的校准系数；

将每组校准点的测试温度和测试压力代入校准方程模型中；

根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

需要说明的是，为便于使用最小二乘法求解上述校准系数，本发明实施例优选地在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

进一步需要说明的是，为便于提高校准精度，本实施例优选地使多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处，或者均匀分布在每个测试温区内。

在实际应用中，上述每个测试温区可以采用相同形式的校准方程模型，例如，每个校准方程模组都为二阶的校准方程模组；或者，上述每个测试温区采用不相同形式的校准方程模型，例如，其中的一些校准方程模型为二阶校准方程模型，另一些校准方程模型为三阶校准方程模型。

S300，根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程。

本步骤中可以通过温度传感器感应当前环境温度，当然，也可以通过其他手段获得当前的环境温度。

S400，使用选取的校准方程对待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

本实施例通过将待校准的压力传感器的工作温区分成多个测试温区，并根据该待校准的压力传感器的测试温度和测试压力建立每个测试温区的校准方程，使用时根据当前的环境温度选择相应的测试温区的校准方程，通过选取的校准方程对待校准压力进行校准，从而获得具有较高精度的压力输出。

为了更加详细地说明本技术方案的有益效果，以校准一个16位的数字压力传感器为例进行说明，假设该数字压力传感器的使用温区范围是-20℃～70℃。

该待校准的数字压力传感器未校准前的温度原始输出如表1所示，表1中给出的是该数字压力传感器在设定温度点和设定压力点处的测试温度输出。

表1

该待校准的数字压力传感器未校准前的压力原始输出如表2所示，表2中给出的是该数字压力传感器在设定温度点和设定压力点处的测试压力输出。

表2

需要说明的是，本实施例中通过高精度的温度传感器获得该数字压力传感器工作的环境温度。上述表1和表2中初始选取的设定温度点为相应的整数值，例如表1和表2中的设定温度点-18.62℃，初始时该设定温度点为-20℃，但当通过高精度的温度传感器测定时，测到的温度值为-18.62℃。

本实施例将该数字压力传感器的使用温区-20℃～70℃分为低温区-20℃～30℃和高温区30℃～70℃两个温区。当然，还可以根据校准精度的要求将使用温区分成其他个数的测试温区。本实施例示例性地将上述使用温区分成两个测试温区。

建立上述两个测试温区的校准方程模型，本实施例优选地将低温区-20℃～30℃和高温区30℃～70℃的校准方程模型建立为相同形式。

低温区-20℃～30℃的校准方程模型为：

P_低温＝c₀₀+(c₁₀+c₁₁×dT+c₂₀×dP)×dP+(c₀₁+c₀₂×dT+(c₁₂×dP)×dT)×dT

高温区30℃～70℃的校准方程模型为：

P_高温＝c'₀₀+(c'₁₀+c'₁₁×dT+c'₂₀×dP)×dP+(c'₀₁+c'₀₂×dT+(c'₁₂×dP)×dT)×dT

其中，dT和dP分别为待校准的数字压力传感器的环境温度和原始压力，c₀₀、c₀₁、c₀₂、c₁₀、c₁₁、c₁₂和c₂₀为低温区校准方程的待求解的校准系数，c'₀₀、c'₀₁、c'₀₂、c'₁₀、c'₁₁、c'₁₂和c'₂₀为高温区校准方程的待求解的校准系数。

当然本实施例也可以建立其他形式的校准方程模型，例如，建立4个校准系数形式的校准方程模型：P＝c₁₁×dT+c₁₀)×dP+c₀₁×dT+c₀₀，或者建立5个校准系数形式的校准方程模型：P＝c₂₀×dP×dP+c₁₂×dP+c₀₁×dT+c₀₀，又或者，建立6个校准系数形式的校准方程模型：P＝(c₁₂×dT×dT+c₁₁×dT+c₁₀)×dP+c₀₂×dT×dT+c₀₁×dT+c₀₀，本实施例对校准方程模型不做限制。

为提高校准精度，本实施例分别在低温区和高温区的两端以及中间处选择校准点，其中低温区-20℃～30℃的校准点如表3所示：

表3

设定温度点	设定压力点	测试温度	测试压力
				31.275	30000	28667	18510
31.275	110000	28645	50890
				11.462	30000	19795	19669
11.462	70000	19766	36490
				11.462	110000	19756	53293
-18.622	30000	6046	21602
				-18.622	110000	6014	57260

高温区30℃～70℃的校准点如表4所示：

表4

设定温度点	设定压力点	测试温度	测试压力
				31.275	30000	28667	18510
31.275	110000	28645	50890
				51.03	30000	37287	17438
51.03	70000	37275	33041
				51.03	110000	37264	48643
70.201	30000	45291	16477
				70.201	110000	45317	46598

需要说明的是，本实施例在低温区-20℃～30℃选择的设定温度点分别是-20℃、10℃和30℃，在高温区30℃～70℃选择的设定温度点分别是30℃、50℃和70℃，由于高精度的温度传感器的测定误差，导致本实施例在低温区-20℃～30℃选择了31.275℃这样的数据，在高温区30℃～70℃选择了70.201℃这样的数据。

进一步需要说明的是，当两个测试温区间具有交叠区域时，交叠温区下的原始压力可采用该两个测试温区相应校准方程中的任何一个进行校准。

本实施例根据表3和表4中的校准点，利用最小二乘法分别计算出低温区-20℃～30℃和高温区30℃～70℃的校准方程模型的校准系数，从而获得两个温区的校准方程。

在获得两个温区的校准方程后，可以根据上述高精度的温度传感器测得的当前环境温度选择相应的测试温区的校准方程，根据当前环境温度和该数字压力传感器的原始压力利用该校准方程进行压力校准，从而获得高精度的压力输出。

本实施例数字压力传感器的原始压力经过低温区和高温区的校准方程校准后的压力输出精度如表5所示，表5给出的是该数字压力传感器采用上述校准方法校准后输出压力的绝对精度。

表5

为了更加直观的观察数字压力传感器校准后压力输出的绝对误差的波动情况，将表5对应转换为温度与压力的线条图，具体如图2所示，图2为本发明实施例提供的采用分隔温区的校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图，图2中横轴表示为各个设定温度点，不同灰度的线条表示为不同的设定压力。从图2中可以看出，采用本技术方案的校准方法对数字压力传感器校准后，该数字压力传感器的压力输出随温度变化的波动幅度较小，即该数字压力传感器的压力输出受温度变化的影响较小，本校准方法能够有效地对温度进行补偿，使得校准后的压力输出值精度较高。

且从图2和表5中可以得出下述结论：

采用本技术方案的校准方法对该数字压力传感器进行校准后，得到的校准后的压力输出的最大绝对误差为17.64，精度为0.022％。

为了更加直观地说明本技术方案的有益效果，本发明进一步提供了采用传统校准方法对上述数字传感器进行校准的实施例。

传统的校准方法是从整个使用温区中选取若干测试压力和测试温度作为校准点，根据选取的若干校准点求解预先建立的校准方程模型，获得校准方程后，即可根据环境温度和压力传感器感应到的原始压力利用校准方程对原始压力进行校准，从而获得校准后的压力输出。需要说明的是，传统技术方案中通常只采用一个校准方程。

为了与更好地与本发明分隔温区的校准方法的校准精度进行对比，本实施例也采用传统方法对上述数字压力传感器进行校准，使传统校准方法在其使用温区-20℃～70℃内对应的校准方程模型为如下形式：

P₁＝a₀₀+(a₁₀+a₁₁×dT+a₂₀×dP)×dP+(a₀₁+a₀₂×dT+(a₁₂×dP)×dT)×dT，

其中，a₀₀、a₀₁、a₀₂、a₁₀、a₁₁、a₁₂和a₂₀为校准方程的待求解的校准系数。

相应地，从上述表1和表2中亦选取7组的校准点，该7组校准点如表6所示：

表6

设定温度点	设定压力点	测试温度	测试压力
				-18.62	30000	6046	21602
-18.62	110000	6014	57260
				26.33	30000	26477	18792
26.33	70000	26462	35138
				26.33	110000	26451	51473
70.20	30000	45291	16477

70.20

110000

45317

46598

利用最小二乘法，并根据表6中的校准点求解校准方程模型的待求解的校准系数，在计算出上述校准方程模型的校准系数后，即可根据校准方程对数字压力传感器的原始压力进行校准。

校准后数字压力传感器输出压力的绝对精度如表7所示：

表7

同样地，为了更加直观的观察数字压力传感器校准后压力输出的绝对误差的波动情况，将表7对应转换为温度与压力的线条图，具体如图3所示，图3为本发明实施例提供的采用传统校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图，图3中横轴表示为各个设定温度点，不同灰度的线条表示为不同的设定压力。从图3中可以看出，采用传统校准方法对数字压力传感器校准后，该数字压力传感器的压力输出受温度变化的影响较大，校准的精度有待进一步提高。

且从图3和表7中可以得出如下结论：

采用传统校准方法对该数字压力传感器进行校准后，得到的校准后的压力输出的最大绝对误差为-62.05，精度为-0.078％，校准精度远低于本发明采用分隔温区的校准方法的校准精度(0.022％)。

考虑在求解校准方程模型过程中，校准系数的结果与选取的校准点的组数以及选取的校准点的方式有关，因此，本发明还提供了采用分隔温区的校准点获取传统较方法的校准方程的实施例。

采用本发明的上述实施例中的高温区和低温区的校准点作为本实施的校准点，校准点数据如表8所示：

表8

设定温度点	设定压力点	测试温度	测试压力
				70.20	30000	45291	16477
70.20	110000	45317	46598
				51.03	30000	37287	17438
51.03	70000	37275	33041
				51.03	110000	37264	48643
31.28	30000	28667	18510
				31.28	110000	28645	50890
11.46	30000	19795	19669
				11.46	70000	19766	36490
11.46	110000	19756	53293
				-18.62	30000	6046	21602
-18.62	110000	6014	57260

利用最小二乘法，并根据表8中的校准点求解校准方程模型中的待求解的校准系数，在计算出校准方程模型的校准系数后，即可根据校准方程对数字压力传感器的原始压力进行校准。

校准后数字压力传感器输出压力的绝对精度如表9所示：

表9

同样地，为了更加直观的观察数字压力传感器校准后压力输出的绝对误差的波动情况，将表9对应转换为温度与压力的线条图，具体如图4所示，图4为本发明实施例提供的采用分隔温区校准点的传统校准方法校准压力传感器得到的校准后的压力输出示意图，图4中横轴表示为各个设定温度点，不同灰度的线条表示为不同的设定压力。从图4中可以看出，采用本实施例的校准方法对数字压力传感器校准后，该数字压力传感器的压力输出受温度变化的影响较大，校准精度还需进一步提高。

从图4和表9中可以得出如下结论：

采用本实施例的校准方法对该数字压力传感器进行校准后，得到的校准后的压力输出的最大绝对误差为-48.65，精度为-0.061％。

根据表5、表7和表9数据，本发明可以得到如下结论：

采用分隔温区的校准方法能够有效地提高压力传感器对原始压力的校准精度；

虽然采用分隔温区的校准点获得压力传感器整个使用温区的校准方程的校准方法能够提高校准的精度，但是所提高的精度十分有限，其校准精度远不如本发明分隔温区的校准方法。

基于与本发明上述压力传感器校准的方法相同的技术构思，本发明还提供了一种压力传感器校准的装置。

图5为本发明实施提供的压力传感器校准的装置结构示意图，如图5所示，该装置包括温区分区单元51、计算存储单元52、选择单元53、压力校准单元54。

温区分区单元51，用于将待校准的压力传感器的使用温区分成两个或多个测试温区。

计算存储单元52，用于在每个测试温区内选取多组校准点，根据多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，校准方程是关于温度和压力的二元方程。

计算存储单元52包括：

模型建立模块，用于建立该测试温区的校准方程模型，所述校准方程模型包括待求解的校准系数；

数据代入模块，用于将每组校准点的测试温度和测试压力代入校准方程模型中；

系数求解模块，用于根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

需要说明的是，为便于使用最小二乘法求解上述校准系数，计算存储单元52在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

进一步需要说明的是，为便于提高校准精度，计算存储单元20在每个测试温区内选取的多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处，或者均匀分布在每个测试温区内。

在实际应用中，模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式相同，例如，每个校准方程模组都为二阶的校准方程模组；或者，模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式不同，例如，其中的一些校准方程模型为二阶校准方程模型，另一些校准方程模型为三阶校准方程模型。

选择单元53，用于根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程。

压力校准单元54，用于使用选取的校准方程对待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

综上所述，本发明实施例公开了一种压力传感器校准的方法和装置，所述方法通过将待校准的压力传感器的工作温区分隔成多个测试温区，并根据该待校准的压力传感器的测试温度和测试压力建立每个测试温区的校准方程，使用时根据当前的环境温度选择相应的测试温区的校准方程，通过选取的校准方程对该待校准的压力传感器的原始压力进行校准，获得校准后的压力输出，从而提高压力传感器的全工作温区的校准精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种压力传感器校准的方法，其特征在于，所述方法包括：

将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或多个测试温区；

在每个测试温区内选取多组校准点，根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，所述校准方程是关于温度和压力的二元方程；

根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程；

使用选取的校准方程对所述待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程包括：

建立该测试温区的校准方程模型，所述校准方程模型包括待求解的校准系数；

将每组校准点的测试温度和测试压力代入所述校准方程模型中；

根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每个测试温区采用相同形式的校准方程模型；

或者，所述每个测试温区采用不相同形式的校准方程模型。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在每个测试温区内选取多组校准点包括：

所述多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处；

或者，所述多组校准点均匀分布在每个测试温区内。

6.一种压力传感器校准的装置，其特征在于，包括：

温区分区单元，用于将待校准的压力传感器的使用温区分隔成两个或多个测试温区；

计算存储单元，用于在每个测试温区内选取多组校准点，根据所述多组校准点的测试温度和测试压力计算出每个测试温区的校准方程并存储，所述校准方程是关于温度和压力的二元方程；

选择单元，用于根据当前的环境温度选取相应的测试温区的校准方程；

压力校准单元，用于使用选取的校准方程对所述待校准的压力传感器感应到的原始压力进行压力校准，获得校准后的压力输出值。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算存储单元包括：

模型建立模块，用于建立该测试温区的校准方程模型，所述校准方程模型包括待求解的校准系数；

数据代入模块，用于将每组校准点的测试温度和测试压力代入所述校准方程模型中；

系数求解模块，用于根据最小二乘法求解该校准方程模型中的校准系数，获得该测试温区的校准方程。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式相同；

或者，所述模型建立模块建立的每个测试温区的校准方程模型的形式不同。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算存储单元在每个测试温区内选取的校准点的组数等于或者多于该测试温区的校准方程模型中待求解的校准系数的个数。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述计算存储单元在每个测试温区内选取的多组校准点分布在每个测试温区的两端处和中间处，或者均匀分布在每个测试温区内。