CN111189890A - 湿度传感器设备的校准 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种校准湿度传感器设备的方法，包括以下步骤：使用第一校准偏移由湿度传感器设备在环境中的第一温度下确定第一露点和第一相对湿度；然后加热湿度传感器设备，具体是通过自加热，以此加热环境至高于第一温度的第二温度；然后由湿度传感器设备在第二温度下确定第二露点；然后确定所确定的第二露点和所确定的第一露点的差是否大于预定差；以及然后，如果确定了所确定的第二露点和第一露点的差大于预定差，则将湿度传感器设备的第一校准偏移改变一预定值，以获得第二校准偏移。
Description
技术领域
本发明涉及湿度传感器设备，具体涉及湿度传感器设备的校准，湿度传感器设备被配置为测量相对湿度并确定环境中的露点。
背景技术
可以通过多种技术基于合适材料的电阻变化和电容变化来来测量湿度。例如，在借助于测量电容确定相对湿度(给定温度下水蒸气与水的比率)的基于半导体的***中，可以基于用作电容器电介质的聚合物材料的可逆吸水特性来测量湿度。
通常，常规的电容式相对湿度传感器设备包括半导体基底和一对电极，它们形成在半导体基底的表面上，并且以特定距离彼此面对。湿敏介电薄膜放置在电极之间，并形成在半导体基底的表面上。薄膜的电容响应于湿度而变化。该传感器通过检测所述一对电极之间的响应于周围湿度变化的电容变化而检测湿度。电容感测型的湿度感测元件通常包括对水分不敏感的非导电结构，在该结构上安装或沉积有合适的电极元件，以及覆盖电极的介电且高度水分敏感材料的层或涂层，所述材料定位成能够在短时间内从周围大气中吸收水并达到平衡。
集成相对湿度传感器设备的响应偏移和斜率可以被设置为特定值，以便实现所需的传感器精度值。电容器元件的累积电荷可以借助于适当的调节电路读出，该电路输出DC电压或者振荡器的振荡频率的改变，其可以响应于介电层中电荷的积累而被检测到，并代表电容以及由此的相应湿度的测量值。基于相对湿度和检测到的温度，可以确定绝对湿度和露点。因此，例如可以借助于湿度传感器设备，确定车辆的挡风玻璃上的露点。
通过感测电容器测量相对湿度需要校准测量电路，特别是调节偏移，以便在相对湿度的方面解释感测电容器的变化的物理特性。用于精确校准的气候室是已知的，其例如利用盐的饱和或非饱和溶液。但是，需要较长的稳定时间并需要与测试台进行通信。用于校准的时间以及因此的金钱很重要。
此外，感测电容器和测量电路可以例如在CMOS技术的背景下在集成电路芯片上实现，并且在制造时进行校准。可以一次制造具有许多IC芯片的晶片，而包含所制造的IC芯片的实际电子设备则可以在稍后的时间且通常在其他场所组装和校准。因此，在组装时单独校准每个电子设备变得费时费力。
鉴于上述情况，本发明要解决的问题在于提供一种校准相对湿度传感器设备的有效而可靠的程序。
发明内容
本发明通过提供一种如权利要求1所述的校准(相对)湿度传感器设备的方法而克服上述问题。所述方法包括(以标引的顺序)依次进行一下步骤：
a)使用第一校准偏移由湿度传感器设备在环境中的第一温度下确定第一露点和第一相对湿度；
b)加热湿度传感器设备，具体是通过自加热，由此加热环境至高于第一温度的第二温度；
c)由湿度传感器设备在第二温度下确定第二露点；
d)确定所确定的第二露点和所确定的第一露点的差是否大于预定差(公差)；以及
e)如果确定了所确定的第二露点和所确定第一露点的差大于预定差(例如，第一校准偏移的预定函数)，则将湿度传感器设备的第一校准偏移改变一预定值，以获得第二校准偏移。
该方法使用湿度传感器设备的加热，特别是湿度传感器设备的自加热。在现有技术中，自加热(由操作导致的热)被认为是必须通过适当的校准来克服的严重问题。相反，根据本发明，可利用自加热现象进行校准过程。自加热可以由湿度传感器设备的处理装置(例如，微控制器)而引起。然而，需注意，所公开的过程还(附加地或替代地)利用湿度传感器设备的一些外部工作。
所公开的程序利用以下事实：在稳定的环境/封闭的空气体积中，温度的升高导致相对湿度的降低，使得露点(温度)保持恒定。露点恒定值的任何偏差都是由于某些失校准(de-calibration)或校准误差引起的。因此，通过基于在传感器的受控加热之后确定的露点与在该加热之前初始确定的露点之间的所确定的差来调节校准偏移，可以以非常可靠且节省成本和时间的方式实现自校准(自动校准)。校准偏移与湿度传感器设备检测到的相对湿度有关(另请参见下面的详细说明)。正确的偏移允许将例如所测量的电压正确转换为环境中存在的实际相对湿度。
特别地，根据实施例，如果确定了第二露点低于所确定的第一露点，则将第一校准偏移增加预定值；并且，如果确定了第二露点高于所确定的第一露点，则将第一校准偏移降低预定值。
本发明的校准湿度传感器设备的方法可以包括以下依次进行的步骤:
f)基于经改变的校准偏移确定第一露点的新值；
g)然后由湿度传感器设备在第三温度下确定第三露点；
h)然后确定所确定的第三露点和第一露点的所确定的新值的差是否大于预定差；以及
i)然后，如果确定了所确定的第三露点和第一露点的所述确定的新值的差大于所述预定差，则将湿度传感器设备的校准偏移改变所述预定值。
可以重复进行步骤f)至i)，直到不再达到预定差。可以重复步骤f)至i)，直到(在相应的第三，第四，第五等温度下)分别确定的新的(第三，第四，第五等)露点与第一露点的相应确定的新露点值的差不超过预定差。因此，通过迭代程序可以实现准确的校准。
为了实现在使用期间对湿度传感器设备进行自动重新校准，可以周期性地执行步骤a)至e)或步骤a)至i)(包括重复直到不再达到预定的差值)，例如，以几个小时或几分钟的时间周期进行。
根据特定的实施例，第三温度和第二温度的差小于第二温度的10％，和/或，预定的第二露点和预定的第一露点的预定差，以及预定的第三露点和预定的第一露点的新的值之间的预定差为0.05℃至0.5℃的范围。
本发明方法的至少步骤a)至e)可以在预定时间段，特别是在每小时10至2次之间自动执行。步骤a)至i)可以在预定时间段自动执行，并且可以重复进行直到确定的露点差不再超过或匹配预定差为止。
根据另一实施方式，第一露点、所确定的第一相对湿度和第一温度可以特别地存储在湿度传感器设备的存储器中，以便用于校准过程。
进一步，提供了一种计算机程序产品，包括一个或多个计算机可读介质，其具有计算机可执行的指令，用于执行上述实施例中的一项所述的方法。此外，提供了一种(相对)湿度传感器设备，包括用于存储该计算机程序产品的存储器和配置为运行该计算机程序产品的处理器装置。湿度传感器设备可以适用于汽车应用中，例如用于检测汽车的挡风玻璃上的相对湿度和/或露点。
将参考附图描述本发明的附加特征和优点。在说明书中，参考旨在说明本发明的优选实施例的附图。应理解，这样的实施例不代表本发明的全部范围。
附图说明
图1示出了在封闭环境中露点对于温度的依赖性。
图2表示示出根据本发明实施例的校准过程的流程图。
图3表示示出根据本发明的特定实施例的校准过程的另一流程图。
图4表示另一流程图，其示出初始校准过且老化的相对湿度传感器设备的自动重新校准过程。
图5表示示出根据本发明实施例的湿度传感器设备的基本组件的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于对湿度传感器设备的加热了(自)校准(相对)湿度传感器设备的方法。加热可以是发生在湿度传感器设备操作期间的湿度传感器设备的自加热，例如由于电路、处理装置、微控制器等中至少之一的自加热。在封闭环境中(例如，被认为是正则***)，湿度传感器设备的加热(至少局部地在测量位置处)导致环境温度的升高。数据处理由湿度传感器设备的处理装置执行。
图1示出了在封闭环境中露点对于温度和相对湿度的依赖性。针对不同的相对湿度值绘制了直线(斜率恒定)。露点τ为
其中：
T和φ表示温度和相对湿度，即，蒸气分压与饱和蒸气压之比，并且，K2和K3是马格努斯公式(Magnus formula)的常数，即，对于-45℃至60℃的温度范围，K3＝243.12℃，K2＝17.62℃。
在封闭的环境中，温度升高导致相对湿度降低，从而使露点保持(至少近似)恒定。因此，如果湿度传感器设备的某些加热导致基于所测量的相对湿度确定的露点变化，则湿度传感器设备不能被精确地校准。换句话说，如果相对湿度校准偏移(例如，将测量电压的值与相对湿度值相关)被错误地调整，则所确定的露点在变化的温度下将不是恒定的(这导致相应地变化的相对湿度水平)。
在湿度传感器设备制造完成后，必须对调节电路进行校准。在电阻式或电容式湿度传感器设备的情况下，在要操作湿度传感器设备的环境中，电阻率或电容随湿度的变化而变化。例如，在电容式湿度传感器设备中，输出一些电压或充电时间，并且必须通过适当的偏移将其转换为正确的相对湿度。接下来，将参照图2描述根据本发明的实施例的用于确定适当偏移的校准过程。
在启动阶段，通过湿度传感器设备基于针对所测量的相对湿度的初始校准偏移来确定(10)露点τ1和相对湿度值φ1。湿度传感器设备在给定温度T1下以某些第一校准偏移在封闭的空气体积中运行。所有确定的值(包括也可能由湿度传感器设备检测到的温度T1)可以存储在例如湿度传感器设备的存储器中。
接下来，通过某种外部装置、通过设置在湿度传感器设备中的加热器、或者通过由湿度传感器设备的操作引起的自加热来加热(11)湿度传感器设备。例如，湿度传感器设备的某些电路(特别是某些数据处理装置)的操作可引起自加热。
在加热一段时间之后和/或在湿度传感器设备的某个特定温度(且因此其环境温度)已经达到之后，由该湿度传感器设备在第二温度T2下第二次确定(12)露点τ2。将在温度T2下确定的第二露点τ2与之前在温度T1下确定的第一露点τ1进行比较(13)。
如果比较(13)表明所确定的第二露点τ2超过所确定的第一露点τ1且相差量大于预定(公差)范围Δτ，τ2>τ1+Δτ，则确定偏移值太高，即，相对湿度被高估了，因此，将用于所测量的相对湿度的第一校准偏移减少(14a)某一预定值ΔO，例如，第一校准偏移的某一百分比，例如，第一校准偏移的0.05％到0.2％。
相反，如果比较(13)表明所确定的第二露点τ2低于所确定的第一露点τ1且相差量大于预定范围Δτ，τ2>τ1-Δτ，则确定偏移值太低，即，相对湿度被低估了，因此，第一校准偏移增加(14b)某一预定值ΔO，例如，第一校准偏移的某一百分比，例如，第一校准偏移的0.05％到0.2％。
随后，使用针对所测量的相对湿度的、与先前使用的值相差ΔO的新校准偏移，计算出第一露点的新值。随后，可以重复图2所示的过程，直到确定预定范围Δτ内的露点恒定值为止。在确定了预定范围Δτ内的露点恒定值之后，对湿度传感器被良好地校准。
图3示出了本发明的校准过程的另一具体示例。在时间t0，由湿度传感器设备确定(20)露点τ0，该湿度传感器将在封闭的环境中在温度T0下进行校准。露点τ0的确定是基于所测相对湿度的初始校准偏移O0。温度T0可以是例如T0＝24.7℃。露点τ0由所测得的相对湿度φ0确定。例如，τ0＝11.9℃，φ0＝44.8％。
在一段时间t1之后，由测得的相对湿度φ1确定露点τ1。在时间段t1-t0期间，湿度传感器设备的自加热导致局部环境的温度升高到温度T1>T0。例如，T1＝27.7℃，τ1＝12.8℃且φ1＝39.6％。在该示例中，所确定的露点τ1相对于τ0已经增加了超过某一公差Δτ，例如Δτ＝0.1℃。因此，相对湿度被测量得过高，即，校准偏移O0太高。因此，如果将预定量ΔO选择为0.1％，则将校准偏移量减小预定量ΔO，以获得用于所测量的相对湿度的新的校准偏移量O1(22)，例如，O1＝O0-0.1％。
使用新的校准偏移O1，重新确定(23)初始确定的露点，以获得初始露点的修正值：τ0 c＝f(O1)。随后，在时刻t2，使用新的校准偏移O1确定(24)露点的新值τ2。在时间段t2-t1期间，湿度传感器设备的自加热进行，使得局部环境的温度升高到T2＞T1＞T0，例如，T2＝28.1℃。
将露点的新值τ2与初始露点的修正值τ0 c进行比较，如果这些值在预定公差Δτ以内相同，则确定对于所测量的相对湿度的新校准偏移O1是期望的正确值(26)，且终止(27)校准过程。另一方面，如果τ2>τ0 c+Δτ，则校准偏移会进一步修正为O2＝O1-0.1％。使用修正后的偏移O2再次重新确定初始确定的露点，以获得初始露点的修正值：τ0 c＝f(O2)。又一次，在时间t3>t2之后确定露点的新值，并重复上述过程，直到为露点确定的相应的新值与初始露点的相应的修正新值的差异不超过预定的公差Δτ为止。在迭代过程结束时，湿度传感器已被良好地校准。
原则上，以上参考图2和3描述的过程可以用于克服制造的湿度传感器设备的初始校准问题或老化问题。因此，在湿度传感器设备的老化期间，可以执行自动重新校准，以在服务时间内维持已经初始校准的湿度传感器设备的正确操作。在实验室条件下进行了首次校准之后，现场校准对于微调很有用。例如，在安装在现场，例如安装在汽车中的湿度传感器设备的任何启动操作中执行自动重新校准。自动重新校准也可以定期启动。例如，在十分钟的时间段内，在增加处理器负载的同时，使用自加热功能可以在一秒钟内分别执行十次测量。
图4示出根据本发明的示例的自动重新校准过程。在步骤30开始湿度传感器设备的操作。可以例如在几个小时或大约10分钟的时间段内定期开始运行。在操作开始之后，立即由湿度传感器设备基于相对湿度的测量值φ0以相对湿度的初始校准偏移O0确定露点τ0，并将其存储(31)在湿度传感器设备的存储器中。
在湿度传感器设备的自加热的预定时间段之后，确定(32)露点的新值τ1，并且通过湿度传感器设备的处理装置确定(33)新值τ1与初始值τ0之间的差。确定(34)所述差的绝对值是否超过校准误差的预定公差Δτ。如果未超过预定公差Δτ，则不需要调整校准，并且过程终止(35)。如果超过了预定公差Δτ，则必须调整(36)相对湿度的初始校准偏移O0(例如由初始校准过程设置，例如在制造湿度传感器设备之后，并且在现场进行首次操作之前执行)。在这种情况下，如果τ1＞τ0，则将初始偏移O0减少预定量ΔO，并且如果τ1＜τ0，则将初始偏移O0增加预定量ΔO，以获得修正偏移O1。
接下来，使用调整后的偏移O1重新确定(37)露点的初始值，以获得修正的初始露点τ0 c。在另一测量/确定步骤(38)中，在某一预定时间段之后确定露点τ2，并且确定新确定的露点τ2与修正的初始露点τ0 c之间的差。再一次，如果差的绝对值超过预定公差Δτ，则将实际校准偏移O1调整(根据差的符号增加或减小)预定量ΔO，并且使用新修正的偏移量O2重新确定修正后的初始露点τ0 c。可以重复此过程(例如，每隔100毫秒测量)，直到调整偏移使得新确定的露点与实际修正的初始露点相差不超过预定公差。迭代过程完成后，湿度传感器被良好地校准。
注意，为了应对老化问题，还可以调整校准斜率。例如，相对湿度传感器可能已针对50％的相对湿度进行了很好的校准，但在30％的相对湿度下进行了错误的校准。代替在30％的相对湿度下校准偏移，可替代地，操作者可计算斜率，其导致在30％的相对湿度下进行与50％的相对湿度下的一样好的精确校准。斜率的调整可以基于一些线性或非线性函数。在0％到100％的整个范围内调整斜率可进行准确的重新校准。
上面参照图2至图4描述的过程允许在传感器的首次操作之前的初始状态下以及在服务时间期间的非常有效且可靠且省时的方式来校准湿度传感器设备。图5的框图示出了湿度传感器设备100的配置，其中实现了上述过程。湿度传感器设备100包括湿度感测装置110，其包括感测电容器112并且被配置用于测量相对湿度。
感测电容器112包括两个平行的金属板，每个金属板具有覆盖的薄膜，其具有用作电容器电介质的聚酰亚胺电介质层。聚酰亚胺介电层吸收水分改变电容器的介电常数。这样，由于知道恒定的参考电容(例如，由参考电容器建立)，因此可以通过测量感测电容器112的电容的变化来计算相对湿度，因为该电容随环境条件的湿度而变化。
湿度感测装置110连接到模数转换器120，用以向控制逻辑130提供数字数据流。控制逻辑130包括处理装置132，例如微控制器和存储器134。校准数据和用于校准过程的数据可以存储在存储器134中。此外，存储器134存储用于执行根据上述实施例的校准过程的程序产品。
控制逻辑130连接到用于经由数据线151和152输出数据的接口140。接口140可以例如是具有信号线SDA和SCL的I2C接口。图5所示的至少一些组件可以形成在单个微芯片或印刷电路板上。
所有先前讨论的实施例不旨在作为限制，而是用作说明本发明的特征和优点的示例。应当理解，上述特征中的一些或全部也可以以不同方式组合。
Claims (13)
1.一种校准湿度传感器设备的方法，包括以下步骤：
a)使用第一校准偏移由湿度传感器设备在环境中的第一温度下确定第一露点和第一相对湿度；
b)然后加热湿度传感器设备，具体是通过自加热，以此加热环境至高于第一温度的第二温度；
c)然后由湿度传感器设备在第二温度下确定第二露点；
d)然后确定所确定的第二露点和所确定的第一露点的差是否大于预定差；以及
e)然后，如果确定了所确定的第二露点和所确定的第一露点的差大于预定差，则将湿度传感器设备的第一校准偏移改变一预定值，以获得第二校准偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一和第二校准偏移与湿度传感器设备确定的相对湿度相关；并且
i)如果确定了第二露点低于所确定的第一露点，则将第一校准偏移增加所述预定值；并且
ii)如果确定了第二露点高于所确定的第一露点，则将第一校准偏移降低所述预定值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述预定值是第一校准偏移的某预定函数。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括以下依次进行的步骤：
f)基于经改变的校准偏移确定第一露点的新值；
g)然后由湿度传感器设备在第三温度下确定第三露点；
h)然后确定所确定的第三露点和第一露点的所确定的新值的差是否大于预定差；以及
i)然后，如果确定了所确定的第三露点和第一露点的所述确定的新值的差大于所述预定差，则以将湿度传感器设备的校准偏移改变所述预定值。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括重复步骤f)至i)，直到在步骤g)中确定的所确定的相应露点和在步骤f)中确定的第一露点的所确定的相应新值的差小于所述预定差。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，第三温度和第二温度的差小于第二温度的10％。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述预定差为0.05℃至0.5℃的范围。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少步骤a)至e)以预定的时间周期自动地进行，具体是在每小时10至2次之间。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括存储第一露点、所确定的第一相对湿度和第一温度，特别是在湿度传感器设备的存储器中。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，湿度传感器设备的加热是借助于湿度传感器设备的处理装置进行的自加热。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤a)至e)或a)至i)周期性地进行，例如具有若干小时或分钟的周期。
12.一种计算机程序产品，包括一个或多个计算机可读介质，其具有计算机可执行的指令，用于执行权利要求1至11中的一项所述的方法的步骤。
13.一种湿度传感器设备，包括用于存储权利要求12所述的计算机程序产品的存储器，以及配置为运行权利要求12所述的计算机程序产品。
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