CN115541105A - 一种数字压力传感器及其的标定、校准和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字压力传感器及其的标定、校准和测量方法，其中，数字压力传感器包括：敏感芯体结构和数字电路模块，敏感芯体结构包括第一谐振器、第二谐振器和温度传感器；数字电路模块与敏感芯体结构电连接，用于接收敏感芯体结构输出的第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一谐振振动信号转换为第一谐振频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将电压信号转换为数字电压信号；根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号计算被测压力值。该结构可以对压力传感器上的温度进行实时准确的测量，进一步消除温度对压力传感器测得的压力值的影响，提高检测精度，并同时提高了传感器的通用性和互换性。

Description

一种数字压力传感器及其的标定、校准和测量方法

技术领域

本发明实施例涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种数字压力传感器及 其的标定、校准和测量方法。

背景技术

数字压力传感器具有传输距离远、抗干扰能力强、数据传递无精度损失、 易于使用等优点，广泛使用在汽车设备、医用电子、消费电子、航空电子、油 气开采。

谐振式压力传感器采用振子频率输出，由其精度高，稳定性好，以及半数 字输出、抗干扰性强等优势，是精度最高的一类压力传感器，被广泛运用在气 象，宇航等领域。通常用户在使用谐振压力传感器时需要采集传感器频率，在 使用过程中无法避免用户采集***的测频误差及其温度影响，因此容易造成传 感器的精度损失。此外，传感器存在漂移问题，超过精度设计年限后，传感器 将无法保证其高精度。

发明内容

本发明提供一种数字压力传感器及其的标定、校准和测量方法，以提高压 力传感器的测量精度，减少温度以及测频误差对测量精度的影响，通过提供数 字信号提高了传感器的通用性和互换性。

为实现上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种数字压力传感器，包 括：敏感芯体结构，包括第一谐振器、第二谐振器和温度传感器，所述第一谐 振器用于输出第一谐振振动信号，所述第二谐振器用于输出第二谐振振动信号， 所述温度传感器用于采集所述第一谐振器和所述第二谐振器的温度，输出电压 信号；

数字电路模块，与所述敏感芯体结构电连接，用于接收所述第一谐振振动 信号、第二谐振振动信号和所述电压信号；并将所述第一谐振振动信号转换为 第一谐振频率，将所述第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将所述电压信 号转换为数字电压信号；并根据所述第一谐振频率、所述第二谐振频率和所述 数字电压信号计算被测压力值。

根据本发明的一个实施例，所述数字电路模块用于根据所述第一谐振频率 和所述第二谐振频率的差值，以及所述数字电压信号通过多项式拟合的方式计 算所述被测压力值。

根据本发明的一个实施例，所述数字电路模块用于根据同一时刻或同一时 间段内的所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，以及所述数字电压信 号通过多项式拟合的方式计算所述被测压力值。

根据本发明的一个实施例，所述数字电路模块用于根据公式 P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀计算的被测压力值；

其中，f为所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，V为所述数字电 压信号，P为的被测压力值，a₀-a₉为所述数字压力传感器的工作系数。

根据本发明的一个实施例，敏感芯体结构，包括壳体，所述壳体的一侧面 上设置有进气口，所述壳体内部设置有传感器芯片，所述传感器芯片内部设置 有一密封腔体，所述密封腔体内设置有第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐 振器靠近所述传感器芯片边缘设置，所述第二谐振器靠近所述传感器芯片中心 设置；所述传感器芯片表面设置有薄膜电阻；所述壳体上设置有用于激励所述 第一谐振器和所述第二谐振器工作的磁铁和驱动电路；所述敏感芯体结构用于 输出第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号，其中，所述薄膜电阻 的阻值与温度的变化呈正相关关系。

根据本发明的一个实施例，所述数字电路模块包括：电源单元、温度补偿 晶体振荡器、主控单元、模数转换单元和通信单元；所述主控单元分别与所述 电源单元、所述温度补偿晶体振荡器、所述模数转换单元和所述通信单元电连 接；

所述电源单元用于给所述主控单元和所述敏感芯体结构供电；所述温度补 偿晶体振荡器用于所述主控单元稳定的获取所述第一谐振振动信号和所述第二 谐振振动信号；所述模数转换单元用于将所述电压信号转换为数字电压信号； 所述主控单元用于根据所述第一谐振振动信号获取所述第一谐振频率，根据所 述第二谐振振动信号获取所述第二谐振频率，进而根据所述第一谐振频率、所 述第二谐振频率和所述数字电压信号计算的被测压力值；所述通信单元用于与 外界通信，输出所述被测压力值。

根据本发明的一个实施例，所述敏感芯体结构还包括：存储器，所述存储 器用于存储所述数字压力传感器的工作系数。

根据本发明的一个实施例，所述数字压力传感器还包括：外壳，所述外壳 的头部设置有压力接口，尾部设置有航空接头；所述敏感芯体结构和所述数字 电路模块固定于所述外壳内部，所述敏感芯体结构的进气口与所述压力接口之 间通过导管连接；所述数字电路模块与所述航空接头连接。

为实现上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种数字压力传感器的标 定方法，应用于如前所述的数字压力传感器，包括以下步骤：

接收标定模式指令，调整所述数字压力传感器处于标定模式；

获取多组不同的温度和压力条件下，所述数字压力传感器输出的所述第一 谐振频率、所述第二谐振频率和所述数字电压信号；

通过多项式拟合的方式获得所述数字压力传感器的工作系数。

根据本发明的一个实施例，通过多项式拟合的方式获得所述数字压力传感 器的工作系数中的拟合公式为：

P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀；

其中，P为给定的压力值，a₀-a₉为所述数字压力传感器的工作系数，f为所 述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，V为所述数字电压信号。

为实现上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种数字压力传感器的校 准方法，应用于前所述的数字压力传感器，包括以下步骤：

接收校准模式指令，调整所述数字压力传感器处于校准模式；

获取所述数字压力传感器在下限标准压力P1下输出的压力值P1’，其中， 所述下限标准压力为所述数字压力传感器的量程的最小值；

获取所述数字压力传感器在上限标准压力P2下输出的压力值P2’，其中， 所述上限标准压力为所述数字压力传感器的量程的最大值；

根据P1、P1’、P2和P2’计算斜率校准系数k和零点校准系数c，其中，

所述数字压力传感器校准前输出的压力值X和校准后输出的压力值Y满足 以下关系式：Y＝k·X+c。

为实现上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种数字压力传感器的测 量方法，应用于如前所述的数字压力传感器，包括以下步骤：

接收静压测量模式，调整所述数字压力传感器处于静压测量模式；

连续获取N个第一谐振频率、N个第二谐振频率和N个电压值；

剔除所述N个第一谐振频率中的最大值和最小值，剔除N个第二谐振频率 中的最大值和最小值，剔除N个电压值中的最大值和最小值；

获取剩余个数的第一谐振频率的平均值，剩余个数的第二谐振频率的平均 值，剩余个数的电压值的平均值；

计算所述第一谐振频率的平均值和所述第二谐振频率的平均值的差值，根 据所述差值和所述电压值的平均值计算所述数字压力传感器输出的压力值，其 中，N为正整数，N大于或等于7。

根据本发明的一个实施例，在计算所述数字压力传感器输出的压力值之后， 还包括：

根据公式Y＝k·X+c校准所述数字压力传感器输出的压力值，并输出校准后 的压力值，其中，X为校准前输出的压力值，Y为校准后输出的压力值，k为斜 率校准系数和c为零点校准系数。

根据本发明实施例提出的数字压力传感器及其的标定、校准和测量方法， 其中，数字压力传感器包括：敏感芯体结构和数字电路模块。数字电路模块与 敏感芯体结构通过双排接插件电连接，数字电路模块用于接收敏感芯体结构输 出的第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一谐振振动信 号转换为第一谐振频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将电压信 号转换为数字电压信号；并根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号 计算的被测压力值。通过将温度传感器设置在敏感芯体结构内，能对压力传感 器上的温度进行实时准确的测量，进一步消除温度对压力传感器测得的压力值 的影响，提高测量精度。通过使用数字电路模块，可以在保证传感器高精度的 同时提高了传感器的通用性和互换性。

附图说明

图1是本发明实施例提出的数字压力传感器的方框示意图；

图2是本发明一个实施例提出的数字压力传感器的中敏感芯体结构的结构 示意图；

图3是本发明一个实施例提出的数字压力传感器的中数字电路模块的方框 示意图；

图4是本发明一个实施例提出的数字压力传感器的中敏感芯体结构的方框 示意图；

图5是本发明一个实施例提出的数字压力传感器的结构示意图；

图6是本发明实施例提出的数字压力传感器的标定方法的流程图；

图7是本发明实施例提出的数字压力传感器的校准方法的流程图；

图8是本发明实施例提出的数字压力传感器的测量方法的流程图；

图9是本发明一个实施例提出的数字压力传感器的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此 处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需 要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结 构。

图1是本发明实施例提出的数字压力传感器的结构示意图。如图1和图2 所示，该数字压力传感器100包括：

敏感芯体结构101，包括第一谐振器5、第二谐振器6和温度传感器7，第 一谐振器5用于输出第一谐振振动信号，第二谐振器6用于输出第二谐振振动 信号，温度传感器7用于采集第一谐振器和第二谐振器的温度，输出电压信号；

数字电路模块102，与敏感芯体结构101电连接，用于接收第一谐振振动 信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一谐振振动信号转换为第一谐振 频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将电压信号转换为数字电压 信号；并根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号计算被测压力值。

虽然将两个完全相同的谐振压力传感器反向安装，构成差动结构，通过两 谐振压力传感器的频率作差来减小温度变化对输出频率的影响，但是谐振压力 传感器周围温度变化仍然会影响频率输出值，特别是当谐振压力传感器周围温 度剧烈变化时，两个谐振压力传感器结构间存在温度场梯度，即使输出频率作 差也不能消除温度对输出频率的影响，从而导致压力测量精度变低。进而，在 敏感芯体结构101中设置温度传感器7，可以直接采集压力传感器的温度，将 温度值补偿进压力传感器的测量结果中，进一步消除温度影响，提高压力测量 精度。

具体地，敏感芯体结构101，包括壳体1，壳体1的一侧面上设置有进气口 2，壳体1内部设置有传感器芯片3，传感器芯片3内部设置有一密封腔体4， 密封腔体4内设置有第一谐振器5和第二谐振器6，第一谐振器5靠近传感器 芯片3边缘设置，第二谐振器6靠近传感器芯片3中心设置；传感器芯片3表 面设置有薄膜电阻7；壳体1上设置有用于激励第一谐振器5和第二谐振器6 工作的磁铁8和驱动电路；敏感芯体结构101用于输出第一谐振振动信号、第 二谐振振动信号和电压信号，其中，薄膜电阻7的阻值与温度的变化呈正相关 关系；

数字电路模块102，与敏感芯体结构101通过双排接插件电连接，用于同 时接收第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一谐振振动 信号转换为第一谐振频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将电压 信号转换为数字电压信号；并根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信 号计算的被测压力值。

其中，敏感芯体结构101中的传感器芯片3可由SOI硅衬底形成，由下往 上依次层叠设置有支撑层31、绝缘层32和器件层33，支撑层31近邻绝缘层 32的一侧表面设置有腔体4，绝缘层32中设置有第一凹槽321和第二凹槽322， 第一凹槽321和第二凹槽322贯通绝缘层32，第一凹槽321用于放置第一谐振 器5，第二凹槽322用于放置第二谐振器6，第一凹槽321靠近支撑层31的边 缘设置，第二凹槽322靠近支撑层31的中心设置，以使得第一谐振器5和第二 谐振器6满足不同应力敏感特性。绝缘层32下表面与支撑层31上表面之间键 合连接，使得腔体4、第一凹槽321、第二凹槽322之间形成密封腔体。绝缘层 32上表面形成有器件层33，器件层33上表面沉积形成有薄膜电阻7。其中， 支撑层31可以为N型硅掺杂层，绝缘层32可以为二氧化硅层，器件层32可 以为N型硅掺杂层。支撑层31、绝缘层32和器件层32也可以为其他的材料， 本发明对此不作具体限定。

器件层33为敏感芯体结构101的应变薄膜层。第一谐振器5和第二谐振器 6固定在所述器件层33的下表面上。

薄膜电阻7可以在器件层33上表面的整面沉积，也可以在器件层33上表 面的局部表面沉积，本发明不作具体限定。薄膜电阻7的阻值随着被测气体温 度的变化呈正相关变化。薄膜电阻7的材质可以为铂，厚度可以为1微米。薄 膜电阻7位于传感器芯片3上，可以直接反映传感器芯片3的温度。

壳体1可以为合金外壳。

具体的，该数字压力传感器100的工作原理如下：设置在壳体1上的磁铁 8和驱动电路(图中未示出)激励第一谐振器5和第二谐振器6工作；被测气 体通过壳体1上的进气口2进入壳体1内部，传感器芯片3上的应变薄膜层受 到气体压力发生形变，张紧和松弛谐振器，从而改变谐振器的频率；薄膜电阻 7用于反映被测气体的温度。敏感芯体结构101最终输出第一谐振器5的振动 信号、第二谐振器6的振动信号和反映被测气体的温度的电压信号。数字电路 模块102与敏感芯体结构101通过双排接插件电连接，用于同时接收第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一谐振振动信号转换为第一 谐振频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将电压信号转换为数字 电压信号；并根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号计算的被测压 力值。通过将温度补偿进压力的计算公式，以及对同一时刻的第一谐振频率和 第二谐振频率进行采集并测量，不但可以在快速温变的情况下精准的测量压力， 而且还可以减小温度对最终压力值的影响。

根据本发明的一个实施例，数字电路模块102用于根据第一谐振频率和第 二谐振频率的差值，以及数字电压信号通过多项式拟合的方式计算被测压力值。

数字电路模块102用于根据同一时刻或同一时间段内的第一谐振频率和第 二谐振频率的差值，以及数字电压信号通过多项式拟合的方式计算被测压力值， 通过使用同一时刻的温度输出值和频率差值计算压力，进一步消除温度影响， 提高压力测量精度。

多项式拟合的方式可以为最小二乘法。

根据本发明的一个实施例，数字电路模块102用于根据公式 P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀计算的被测压力值；

其中，f为第一谐振频率和第二谐振频率的差值，V为数字电压信号，P为 的被测压力值，a₀-a₉为数字压力传感器的工作系数。

需要说明的是，上述公式通过最小二乘法拟合得到，具体的过程为：给定 数字压力传感器100多组不同的压力和温度，获取每组压力和温度条件下的第 一谐振频率、第二谐振频率和电压值，通过最小二乘法拟合，得到压力与第一 谐振频率、第二谐振频率和电压值之间的关系式。进而利用两个谐振器的差频 输出可有效降低单谐振器的温度系数，消除各谐振器的非线性特征，提高其补 偿精度。

根据本发明的一个实施例，如图3所示，数字电路模块102包括：电源单 元9、温度补偿晶体振荡器10、主控单元11、模数转换单元12和通信单元13； 主控单元11分别与电源单元9、温度补偿晶体振荡器10、模数转换单元12和 通信单元13电连接；

电源单元9用于给主控单元11和敏感芯体结构101供电；温度补偿晶体振 荡器10用于主控单元11稳定的获取第一谐振振动信号和第二谐振振动信号； 模数转换单元12用于将电压信号转换为数字电压信号；主控单元11用于根据 第一谐振振动信号获取第一谐振频率，根据第二谐振振动信号获取第二谐振频 率，进而根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号计算的被测压力值； 通信单元13用于与外界通信，输出被测压力值。

其中，电源单元9可以为蓄电池、太阳能电池等本领域技术人员熟知的电 源。

温度补偿晶体振荡器10使得主控单元11可以稳定的获取第一谐振振动信 号和第二谐振振动信号，减少温度对数字电路模块102采集数据的影响，保证 主控单元11在相同温度下获取第一谐振振动信号和第二谐振振动信号，减少频 率的测量误差，提升数字压力传感器100的测量精度。

主控单元11中的定时器通过对第一谐振振动信号和第二谐振振动信号进 行计数，最终获取第一谐振振动信号对应的第一谐振频率和第二谐振振动信号 对应的第二谐振频率。举例来说，5s内计数第一谐振振动信号振动500次，第 二谐振振动信号振动505次，那么第一谐振频率为100次/秒，第二谐振频率为 101次/秒(该示例中的数据仅为示意，并不代表真实的数据)。

模数转换单元12用于将电压信号转换为数字电压信号，主控单元11根据 第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号，结合拟合公式，最终计算出被 测压力值。

主控单元11可以为PLC控制器或单片机。

通信单元13可以为蓝牙、射频、wifi等通信手段，通信单元13的接口可 以为RS232接口或RS485接口。通信单元13与外界通信，可以连接客户端， 将主控单元11计算的被测压力值输出至客户端进行显示查看。客户端可以为个 人计算机、笔记本电脑、手机等。

根据本发明的一个实施例，如图4所示，敏感芯体结构101还包括：存储 器14，存储器14用于存储数字压力传感器100的工作系数。

可以理解的是，工作系数为公式 P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀中的a₀-a₉，在数字压力传感 器100出厂之前，工作系数a₀-a₉会被进行标定。具体的标定方法为：给定多组 (至少为9组)特定的压力值、温度值(温度值对应电压值)，获取每组特定的 压力值和温度值的情况下，数字压力传感器100计算得到的第一谐振频率、第 二谐振频率和电压值，求解出a₀-a₉，并存储在存储器14中。

当数字压力传感器100进行正常工作时，数字电路模块102可以读取敏感 芯体结构101存储器14中存储的工作系数，进而在获取第一谐振频率、第二谐 振频率和电压值之后，可以计算出被测压力值。

需要说明的是，每个敏感芯体结构101都设置一个存储器14，在出厂之前 都在存储器14中存储有该敏感芯体结构101的工作系数，当该敏感芯体结构 101出现故障时，可以替换新的敏感芯体结构101，增加数字电路模块102的利 用率，以及提高数字压力传感器100的通用性和互换性。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，数字压力传感器100还包括：外 壳15，外壳15的头部设置有压力接口16，尾部设置有航空接头17；敏感芯体 结构101和数字电路模块102固定于外壳15内部，敏感芯体结构101的进气口 2与压力接口16之间通过导管18连接；数字电路模块102与航空接头17连接。

其中，压力接口16采用锥形密封口设计，用于与被测部件连接，并通过导 管18将被测气压传递至敏感芯体结构101；压力接口16采用一体设计，尾部 为平台结构；数字电路模块102固定于压力接口平台结构上，并与尾部航空接 头17连接；敏感芯体结构101固定于数字电路模块102上，通过双排接插件电 连接，通过铜柱进行机械紧固。外壳15为不锈钢外壳，不锈钢外壳与压力接口 焊接为一体，航空接头17通过O型圈与外壳紧固，从而达到防水、防尘的作 用。

图6是本发明实施例提出的数字压力传感器的标定方法的流程图。如图6 所示，该标定方法应用于如前的数字压力传感器，包括以下步骤：

S101，接收标定模式指令，调整数字压力传感器处于标定模式；

S102，获取多组不同的温度和压力条件下，数字压力传感器输出的第一谐 振频率、第二谐振频率和数字电压信号；

S103，通过多项式拟合的方式获得数字压力传感器的工作系数。

其中，通过多项式拟合的方式获得数字压力传感器的工作系数中的拟合公 式为：

P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀；

其中，P为给定的压力值，a₀-a₉为数字压力传感器的工作系数，f为第一谐 振频率和第二谐振频率的差值，V为数字电压信号。

需要说明的是，在标定过程中，如果f为第一谐振频率减去第二谐振频率， 那么在后期数字压力传感器工作过程中，f仍然为第一谐振频率减去第二谐振频 率；如果在标定过程中，如果f为第而谐振频率减去第一谐振频率，那么在后 期数字压力传感器工作过程中，f仍然为第二谐振频率减去第一谐振频率；前后 需保持一致。在拟合过程中，上式等式左边的P值为给定的压力值，等式右边 的f为第一谐振频率与第二谐振频率的差值，V为获取的数字电压信号值。

基于此，在对数字压力传感器的标定过程中，将温度补偿到压力的求解公 式中，降低第一谐振频率和第二谐振频率之间的匹配性，降低传感器在工作过 程中温度对最终压力值的影响，提升传感器的测量精度。并且传感器在同一时 刻获取第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压信号，保证了最终输出的压力 值为该时刻对应的被测压力值。该方法将输出压力传感器的测试误差包含于该 次测试中，能够进行有效的补偿和匹配，进而消除不同测试***的影响，从而 保证传感器的精度。

在通过最小二乘法拟合获得数字压力传感器的工作系数之后，存储在敏感 芯体结构的存储器中。当数字压力传感器进行正常工作时，数字电路模块可以 读取敏感芯体结构存储器中存储的工作系数，进而在获取第一谐振频率、第二 谐振频率和电压值之后，可以计算出被测压力值。

图7是本发明实施例提出的数字压力传感器的校准方法。如图7所示，该 校准方法应用于前的数字压力传感器，包括以下步骤：

S201，接收校准模式指令，调整数字压力传感器处于校准模式；

S202，获取数字压力传感器在下限标准压力P1下输出的压力值P1’，其 中，下限标准压力为数字压力传感器的量程的最小值；

S203，获取数字压力传感器在上限标准压力P2下输出的压力值P2’，其 中，上限标准压力为数字压力传感器的量程的最大值；

S204，根据P1、P1’、P2和P2’计算斜率校准系数k和零点校准系数c， 其中，

其中，数字压力传感器校准前输出的压力值X和校准后输出的压力值Y满 足以下关系式：Y＝k·X+c。

需要说明的是，在校准模式下，即将数字压力传感器恢复至出厂状态，k＝0，c＝0。并将数字压力传感器接入标准器(可以给定数字压力传感器标准压力)， 进而，获取数字压力传感器在下限标准压力P1下输出的压力值P1’，其中， 下限标准压力为数字压力传感器的量程的最小值，获取数字压力传感器在上限 标准压力P2下输出的压力值P2’，其中，上限标准压力为数字压力传感器的 量程的最大值，根据P1、P1’、P2和P2’计算斜率校准系数k和零点校准系 数c，其中，

举例来说，上限标准压力为500kpa，下限标准压力为100kpa，在500kpa下数字压力传感器输出的压力值为505kpa， 在100kpa下数字压力传感器输出的压力值为105kpa，那么 k＝(500-100)/(505-105)＝1，c＝(505*100-500*105)/(505-105)＝-5。进而，在输出的 压力值的基础上减去5即为被测气体的真实压力值。

基于此，可以在数字压力传感器使用一段时间之后，对数字压力传感器进 行校准，保证其长期精度要求。

图8是本发明实施例提出的数字压力传感器的测量方法的流程图。如图8 所示，该测量方法应用于如前的数字压力传感器，包括以下步骤：

S301，接收静压测量模式，调整数字压力传感器处于静压测量模式；

S302，连续获取N个第一谐振频率、N个第二谐振频率和N个电压值；

S303，剔除N个第一谐振频率中的最大值和最小值，剔除N个第二谐振频 率中的最大值和最小值，剔除N个电压值中的最大值和最小值；

S304，获取剩余个数的第一谐振频率的平均值，剩余个数的第二谐振频率 的平均值，剩余个数的电压值的平均值；

S305，计算第一谐振频率的平均值和第二谐振频率的平均值的差值，根据 差值和电压值的平均值计算数字压力传感器输出的压力值，其中，N为正整数，N大于或等于7。

需要说明的是，静压测量模式是指，被测气体的压力发生变化比较缓慢的 情况。在该种情况下，无需每次获取第一谐振频率、第二谐振频率和数字电压 值之后，都进行一次压力值的计算。而是通过求解平均值的方式进行最终的压 力值的计算，该处理方法能够有效避免因外部干扰、***不稳定等因素导致的 偶然数据跳变，增强***稳定性，提高传感器的分辨率。

举例来说，数字压力传感器按用于采样频率设置连续测量7个频率值和7 个电压值，去除一个最大值，一个最小值，剩余5个取平均值，两个频率平均 值以及电压平均值分别代入公式：

P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀计算压力值。当测试第8 个频率后，第2至第8个频率组成新的7组频率，重复上述步骤，获得新的压 力值，输出更新。

可以理解的是，上述测量方法不适用被测气体的压力变化抖动较大的情况。 当被测气体的压力变化抖动较大时，同步获取第一谐振频率、第二谐振频率和 数字电压值之后，进行一次压力值的计算，输出一次压力值。

根据本发明的一个实施例，如图9所示，在计算数字压力传感器输出的压 力值之后，还包括：

S306，根据公式Y＝k·X+c校准数字压力传感器输出的压力值，并输出校准 后的压力值，其中，X为校准前输出的压力值，Y为校准后输出的压力值，k 为斜率校准系数和c为零点校准系数。

也就是说，在计算出压力值之后，还需对该压力值进行校准修正，提升测 量精度。

为提升传感器交互和易用性，数字电路模块通过内部flash指定地址用于存 储***默认参数和用户状态定义，可实现对数字压力传感器采样频率、波特率、 压力参数输出格式、工作模式(校准模式、正常工作模式、标定模式等)、传 感器周期性检精度修正、恢复出厂设置等功能。

本发明实施例提出的数字压力传感器基于硅谐振式压力传感器实现。通过 采用内嵌薄膜电阻进行温度补偿的谐振式压力传感器模块提升现有数字压力传 感器精度不高的问题；通过温补晶振的设置，消除测试***误差，实现传感器 精度无损传递，减小测试***频率测量误差引起传感器补偿精度损失；并且数 字电路模块的使用使得压力传感器高度集成化，提升传感器精度，提升易用性； 周期性校准，减少了压力传感器的漂移问题，延长了压力传感器的使用寿命。 在快速温变过程测量的过程中，同步获取敏感芯体结构的输出参数，提升了产 品温度跟随性，即使得压力传感器的环境兼容性提升。

综上所述，根据本发明实施例提出的数字压力传感器及其的标定、校准和 测量方法，其中，数字压力传感器包括：敏感芯体结构和数字电路模块。数字 电路模块与敏感芯体结构通过双排接插件电连接，数字电路模块用于接收敏感 芯体结构输出的第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号；并将第一 谐振振动信号转换为第一谐振频率，将第二谐振振动信号转换为第二谐振频率， 将电压信号转换为数字电压信号；并根据第一谐振频率、第二谐振频率和数字 电压信号计算的被测压力值。通过将温度传感器设置在敏感芯体结构内，能对 压力传感器上的温度进行实时准确的测量，进一步消除温度对压力传感器测得 的压力值的影响，提高测量精度。通过使用数字电路模块，可以在保证传感器 高精度的同时提高了传感器的通用性和互换性。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种数字压力传感器，其特征在于，包括：

敏感芯体结构，包括第一谐振器、第二谐振器和温度传感器，所述第一谐振器用于输出第一谐振振动信号，所述第二谐振器用于输出第二谐振振动信号，所述温度传感器用于采集所述第一谐振器和所述第二谐振器的温度，输出电压信号；

数字电路模块，与所述敏感芯体结构电连接，用于接收所述第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和所述电压信号；并将所述第一谐振振动信号转换为第一谐振频率，将所述第二谐振振动信号转换为第二谐振频率，将所述电压信号转换为数字电压信号；并根据所述第一谐振频率、所述第二谐振频率和所述数字电压信号计算被测压力值。

2.根据权利要求1所述的数字压力传感器，其特征在于，所述数字电路模块用于根据所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，以及所述数字电压信号通过多项式拟合的方式计算所述被测压力值。

3.根据权利要求2所述的数字压力传感器，其特征在于，所述数字电路模块用于根据同一时刻或同一时间段内的所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，以及所述数字电压信号通过多项式拟合的方式计算所述被测压力值。

4.根据权利要求2或3所述的数字压力传感器，其特征在于，所述数字电路模块用于根据公式P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀计算所述被测压力值；

其中，f为所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，V为所述数字电压信号，P为被测压力值，a₀-a₉为所述数字压力传感器的工作系数。

5.根据权利要求1所述的数字压力传感器，其特征在于，所述敏感芯体结构包括壳体，所述壳体的一侧面上设置有进气口，所述壳体内部设置有传感器芯片，所述传感器芯片内部设置有一密封腔体，所述密封腔体内设置有所述第一谐振器和所述第二谐振器，所述第一谐振器靠近所述传感器芯片边缘设置，所述第二谐振器靠近所述传感器芯片中心设置；所述传感器芯片表面设置有薄膜电阻；所述壳体上设置有用于激励所述第一谐振器和所述第二谐振器工作的磁铁和驱动电路；所述敏感芯体结构用于输出第一谐振振动信号、第二谐振振动信号和电压信号，其中，所述薄膜电阻的阻值与温度的变化呈正相关关系。

6.根据权利要求5所述的数字压力传感器，其特征在于，所述数字电路模块包括：电源单元、温度补偿晶体振荡器、主控单元、模数转换单元和通信单元；所述主控单元分别与所述电源单元、所述温度补偿晶体振荡器、所述模数转换单元和所述通信单元电连接；

所述电源单元用于给所述主控单元和所述敏感芯体结构供电；所述温度补偿晶体振荡器用于所述主控单元稳定的获取所述第一谐振振动信号和所述第二谐振振动信号；所述模数转换单元用于将所述电压信号转换为数字电压信号；所述主控单元用于根据所述第一谐振振动信号获取所述第一谐振频率，根据所述第二谐振振动信号获取所述第二谐振频率，进而根据所述第一谐振频率、所述第二谐振频率和所述数字电压信号计算被测压力值；所述通信单元用于与外界通信，输出所述被测压力值。

7.根据权利要求1所述的数字压力传感器，其特征在于，所述敏感芯体结构还包括：存储器，所述存储器用于存储所述数字压力传感器的工作系数。

8.根据权利要求1所述的数字压力传感器，其特征在于，还包括：外壳，所述外壳的头部设置有压力接口，尾部设置有航空接头；所述敏感芯体结构和所述数字电路模块固定于所述外壳内部，所述敏感芯体结构的进气口与所述压力接口之间通过导管连接；所述数字电路模块与所述航空接头连接。

9.一种数字压力传感器的标定方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的数字压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

接收标定模式指令，调整所述数字压力传感器处于标定模式；

获取多组不同的温度和压力条件下，所述数字压力传感器输出的所述第一谐振频率、所述第二谐振频率和所述数字电压信号；

通过多项式拟合的方式获得所述数字压力传感器的工作系数。

10.根据权利要求9所述的数字压力传感器的标定方法，其特征在于，通过多项式拟合的方式获得所述数字压力传感器的工作系数中的拟合公式为：

P＝a₉f³+a₈f²V+a₇f²+a₆fV²+a₅fV+a₄f+a₃V³+a₂V²+a₁V+a₀；

其中，P为给定的压力值，a₀-a₉为所述数字压力传感器的工作系数，f为所述第一谐振频率和所述第二谐振频率的差值，V为所述数字电压信号。

11.一种数字压力传感器的校准方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的数字压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

接收校准模式指令，调整所述数字压力传感器处于校准模式；

获取所述数字压力传感器在下限标准压力P1下输出的压力值P1’，其中，所述下限标准压力为所述数字压力传感器的量程的最小值；

获取所述数字压力传感器在上限标准压力P2下输出的压力值P2’，其中，所述上限标准压力为所述数字压力传感器的量程的最大值；

根据P1、P1’、P2和P2’计算斜率校准系数k和零点校准系数c，其中，

所述数字压力传感器校准前输出的压力值X和校准后输出的压力值Y满足以下关系式：Y＝k·X+c。

12.一种数字压力传感器的测量方法，应用于如权利要求1-8任一项所述的数字压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：

接收静压测量模式，调整所述数字压力传感器处于静压测量模式；

连续获取N个第一谐振频率、N个第二谐振频率和N个电压值；

剔除所述N个第一谐振频率中的最大值和最小值，剔除N个第二谐振频率中的最大值和最小值，剔除N个电压值中的最大值和最小值；

获取剩余个数的第一谐振频率的平均值，剩余个数的第二谐振频率的平均值，剩余个数的电压值的平均值；

计算所述第一谐振频率的平均值和所述第二谐振频率的平均值的差值，根据所述差值和所述电压值的平均值计算所述数字压力传感器输出的压力值，其中，N为正整数，N大于或等于7。

13.根据权利要求12所述的数字压力传感器的测量方法，其特征在于，在计算所述数字压力传感器输出的压力值之后，还包括：

根据公式Y＝k·X+c校准所述数字压力传感器输出的压力值，并输出校准后的压力值，其中，X为校准前输出的压力值，Y为校准后输出的压力值，k为斜率校准系数和c为零点校准系数。

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