[发明专利]压力传感器的校正方法

说明书

本发明涉及压力测量，特别涉及通过单一的模数转换器以最少的信息丢失和最小的混淆错误来发送代表两个变量的信号。更具体地说，本发明涉及修正测量电路的输出信号，即修正由压力传感器的机体内压或温度的变化而使微分压力信号出现的误差。本发明还可用于校正由于温度变化而引起的使机体或静态压力存在误差的输出信号。

电容式微分压力传感器通常包括一个传感器机盒，盒内有两个被可偏转的薄膜隔开的心室。第一压力作用到第一心室，第二压力作用到第二心室。第一和第二压力之差导致薄膜偏转，偏转的量取决于压差的大小。

薄膜通常包含一个导电区，这个区与心室内壁的导电区是并排地分开的，从而在第一心室和第二心室内形成第一和第二两个可变电容。薄膜随压差而偏转，从而使两个可变电容器的电容值改变。上述的压力传感器被接到一个测量电路，以给出代表可变电容器的电容值的输出信号。此输出信号给出压差的量度。

但是，问题出在电容式压力传感器的非线性。例如，系统中的应力电容可造成非线性，这一点必须于以补偿。

此外，机体内压的变化也会导致错误。机体内压通常也称之为静态压，可以用几种方法定义。为了说明机体内压的各种定义，假定作用到电容式压力传感器的第一和第二心室的第一和第二压力为每平方英寸2990磅(P_L)和每平方英寸3000磅(P_H)，两者的压差为10psi(3000psi-2990psi)(psi是压力单位，量纲为磅/英寸²)。定义之一是把机体内压规定为上述例子中的P_H和P_L的平均值，即2995。另一种定义是把机体内压简单地取作P_H或P_L。不管对机体内压采用哪种定义，压力传感器的输出信号中的错误总会由于机体内压的变化而存在。

机体内压的变化对电容式微分压力传感器的影响可以用下面的例子来说明。例中的P_H＝3000psi，P_L＝2990psi，压差为10psi，机内压为2995psi(利用P_H和P_L的平均值作为机体内压的量度标准)。但是，当P_H＝10psi和P_L＝0psi时，两者的压差仍然是10psi，但机体内压却是5psi了。由于一定的应力作用于压力传感器的外壳，典型的微分压力传感器的输出信号会随着机体内压每改变100psi而变化1％。因此，在上述例子中，由压差产生的输出信号会明显地随着机体内压的改变而变化。人们当然希望有一种方法既能测出压差，又能给出不受机体内压影响的输出信号。

1983年2月1日公告的Frick的美国专利，(编号为4370890)转让给本发明的同一受让人，该专利揭示了一种电容式微分压力传感器的机械结构，这种结构试图抵消由于机体内压的变化而引起的对电容式压力传感器外壳的不希望的机械应力。Frick给出的这种结构减少了因机体内压变化而引起的微分压力传感器的输出信号的变化。但是还希望能有进一步的校正技术，能够以电子的机制而不用机械机制来校正因机体内压改变而造成的输出信号的改变。

Frick的美国未决申请(序号为7-667320，1991年3月8日递交)转让给了本发明的同一受让人，该申请叙述了用固定的补偿电容器与微分传感器的可变电容器结合在一起的办法使得通过可变电容器的电流减去通过补偿电容器的电流。补偿电容器容量选为恰为能使电路的输出为零，并在一定范围内弥补因机体内压变化而引起的错误。采用固定的补偿电容器的方法限制了传感器的新希望的操作范围，不适应于所有情况。因此仍然需要有一种改进的修正技术。

另一种类型的压力传感器是压敏电阻桥式传感器，这种传感器通常利用单晶硅片做成的由四个压敏电阻元件构成的电桥网络。压敏电阻元件应该这样安排：使得作用于单晶硅片薄膜上的压力能引起电桥的电阻值失去平衡。两个压力P1和P2对薄膜的相反两面起作用，从而使微分压力作用于压敏电阻元件。微分压力的变化引起电桥一对桥臂上的压敏电阻元件阻抗值按某种方式变化，另一对桥臂上的压敏电阻元件的阻抗以相反的方式变化(例如，图4中的压敏元件R5和R6的阻抗变正，另一对压敏电阻元件R7和R8的阻抗变负)。由此而得到的电桥的输出信号代表了微分压力。