专利名称：电容差压传感器静压影响补偿方法
技术领域：
本发明涉及传感器制造及其信号处理技术，一种电容差压传感器静压影响补偿方法。
背景技术：
电容差压传感器是一种新型的差压传感器，其核心检测部件把外加的两个不同压力信号转换为各个相应的电容变化，后部检测电路则把电容的变化转换为电信号，对该电信号进行处理检测就可以得到外加压力的差压值。
对于差压传感器来说，在理想情况下其输出与外加压力差敏感，变化量是唯一的，对压力值不敏感，即差压传感器的静压影响应该很小。但实际情况中，有各种因素会造成差压传感器的输出信号会受到静压的影响，这种零点的静压影响对传感器的测量结果造成一种附加误差，直接影响传感器的精度。
因为静压影响直接影响差压传感器的测量精度，为了提高差压传感器的精度，有必要降低差压传感器的静压影响，目前高精度的差压传感器其静压影响一般为0.1％，更高的达到0.05％。
现有技术中对电容差压传感器所采取的补偿静压影响的方法是1、通过优化设计及制造工艺，直接提高传感器的静压指标，这种方法从根本上提高传感器的静压指标，但对传感器的设计及制造工艺乃至工艺装备要求更高，依赖的条件更严格，一定条件下有时候难以实现，并且可能造成成品率低。2、采用软、硬件补偿技术，提高电容传感器的静压指标。这种方法对硬件的要求比较低，易于实现，可以把某些静压影响不满足要求的电容传感器通过静压补偿技术转变为符合要求的电容传感器，从而提高传感器的静压指标，提高成品率，降低产品的生产成本。关于电容传感器静压影响补偿方面的内容未见到公开报道。
发明内容
本发明目的是提供一种电容差压传感器静压影响补偿方法，通过硬件技术措施和软件数字处理方法，调整电容差压传感器基本电容的比值来降低电容差压传感器的静压影响。
电容差压传感器静压影响补偿方法，其特征在于测试传感器的静压影响值，根据测试值，在传感器电容补偿一固定电容值，增大其等效电容值，以补偿外加静压的影响；根据公式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>和Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>来确定补偿电容Cb值；当传感器的静压影响为负值时，在传感器C2端上并联补偿电容Cb，而当传感器的静压影响为正值时，在传感器C1端上并联补偿电容Cb，选取标准电容时确保与计算Cb的偏差小于0.1PF。
本发明方法的积极效果是在传感器的电容输出信号部分做改进，对转换电路及处理电路没有变动，适应面广。本方法对目前商品化的转换电路及处理电路都适用。
本发明方法的设计思想是要提高传感器的输出精度，减小如图1所示的电容差压传感器的静压误差指标。
普通电容差压传感器的工作原理如图1所示传感器有正腔和负腔两个输入压力腔，两个外加压力表示为正腔压力P1和负腔压力P2。
当传感器没有受到外加压力时，即P1＝P2＝0时，传感器受到的差压为P1-P2＝0，电容传感器的零点输出电容为C1及C2，此时，传感器的输出为S，有S=C1-C2C1+C2···(1)]]>当传感器受到一个静压时，传感器正、负腔同时受到相等的压力，即P1＝P2≠0时，传感器受到的差压为P1-P2＝0，此时电容传感器的零点输出电容C1增加ΔC1，电容C2增加ΔC2，这时，对应的两个电容分别为(C1+ΔC1)和(C2+ΔC2)此时，传感器的输出为S’，有S′=(C1+ΔC1)-(C2+ΔC2)(C1+ΔC1)+(C2+ΔC2)···(2)]]>电容传感器的理想状况是在有静压和无静压时，传感器的输出没有变化，即S＝S’即C1-C2C1+C2=(C1+ΔC1)-(C2+ΔC2)(C1+ΔC1)+(C2+ΔC2)···(3)]]>变换上面的式子，有下式成立C1C2=ΔC1ΔC2···(4)]]>即，如果电容差压传感器电容特性能够满足式(4)，则静压对差压传感器的输出特性没有影响。
在传感器大多数产品中，可能不满足式(4)，由于在外加静压下电容差压传感器的输出电容的变化量ΔC1和ΔC2是传感器的本身特性，如果单独追求产品性能的理想指标，势必要提高成本。本发明方法是改变传感器基本电容比值，采用给差值低的C1或C2的值并联固定电容的方法，使之满足式(4)，就可以实现传感器的静压影响的补偿。这种方法简便易操作，成本低，并使普通的产品提高了质量档次，使电容输出值达到了理想精度。
图1为普通的电容差压传感器示意图；图2为本发明电容差压传感器静压并联电容补偿方法例1示意图；图3为本发明电容差压传感器静压并联电容补偿方法例2示意图；图4为电容转换及处理电路示意图；图5为静压补偿板示意图；具体实施方式
电容差压传感器静压影响补偿方法，能够实现在有静压和无静压时，传感器的输出没有变化，其特征在于无静压下用LCR电容表测试出传感器的基础电容值C1、C2，再在有静压但差压为零时用LCR电容表测试出传感器的电容值，然后用有静压的测得的电容值减去无静压时测得的电容值，即得到电容增加值ΔC1、ΔC2，然后分如下两种情况进行后续的静压补偿过程情况①见图1，假设一个差压传感器的测试结果符合C1/C2＞ΔC1/ΔC2，这时静压影响为负值，则可以增大C2，来实现静压影响的补偿。
针对此情况，本发明的实施方法是在传感器电容C2上并联补偿电容Cb，见图2所示。图中虚框可看作输出为C1和C2+Cb的等效电容差压传感器。如果要实现传感器没有静压影响，根据式(4)，要求下式成立C1C2+Cb=ΔC1ΔC2]]>可推出Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2···(5)]]>在这种状况下，在传感器的C2端并联一个电容Cb，这样等效的电容差压传感器的电容特性可以满足式(4)，使等效电容差压传感器的输出特性不受外加的静压信号的影响，即实现了电容差压传感器的静压补偿。
情况②如图1所示，假设一个差压传感器的测试结果符合C1/C2＜ΔC1/ΔC2，这时静压影响为正值，则可以增大C1，来实现静压影响的补偿。
针对情况②，本发明的实现方法是在传感器电容C1上并联补偿电容Cb，见图3所示。图中虚框可看作输出为C1+Cb和C2的等效电容差压传感器。如果要实现传感器没有静压影响，根据式(4)，要求下式成立C1+CbC2=ΔC1ΔC2]]>可推出Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1···(6)]]>在这种情况下，如果在传感器的电容C1端并联一个电容Cb，这样等效的电容差压传感器的电容特性可以满足式(4)，使等效电容差压传感器的输出特性不受外加的静压信号的影响，即实现了电容差压传感器的静压补偿。
实施例1硅电容传感器，编号06040134，在零静压下用LCR电容表测试传感器的电容值如下C1＝82.53pF，C2＝85.30pF。
然后在10MPa静压下，用LCR电容表测试传感器相应电容的增加值如下ΔC1＝0.84pF，ΔC2＝1.02pF。
把传感器接上转换电路及处理电路，组成差压变送器，测试变送器的静压影响为-0.4％/10MPa。该误差比较大，采用下面的方法减小该误差。利用测试得到的C1、C2、ΔC1、ΔC2，得到C1C2>ΔC1ΔC2,]]>这时静压影响为负值，符合情况①，可以增大C2，既在C2上并联一个电容Cb，原理见图2所示用式(5)计算得到Cb＝14.91pF，即在C2上并联14.91pF的固定电容，可以实现静压补偿，减小静压影响。实现的方法是将图5所示静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，取与Cb＝14.91pF相近的标准电容15PF，在静压补偿板上D4的位置焊接并联电容15PF；在取标准电容时确保与计算Cb的偏差小于0.1PF即可。
并联电容Cb后，测试变送器的静压影响，试验数据如下在静压补偿板上D4位置未并联电容时，即未进行静压补偿，先进行测试，通过把传感器与转化电路和处理电路组合成变送器，测得传感器的静压影响为-0.4％；当在静压补偿补偿板上D4位置并联固定电容15pF后，相应的变送器的静压影响为+0.025％，变送器的静压影响大幅提高。该实例证明，本发明提出的静压补偿方法的实用效果很好。
在上面的试验过程中，测试了无静压下基础电容值和有静压下的电容值，这一步骤实际过程中可以省略，即根据实际应用经验，当变送器的静压影响为负值时，一般需要在传感器的C2端子上并联补偿电容Cb，而当变送器的静压影响为正值时，一般需要在传感器的C1端子上并联补偿电容Cb。具体的Cb的数值大小既可以通过计算，也可以通过传感器的静压测试过程逐步接近理想值。
实施例2硅电容传感器，编号06070221，组装成变送器后实测静压影响为-0.18％。
因为静压影响为负值，需要在传感器的C2电容处并联补偿电容。如图2所示静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，在图5所示静压补偿板上D4的位置焊接并联电容5pF，测试传感器静压影响为-0.065％；再在静压补偿板上D5的位置焊接并联电容5pF，这时总的并联电容值达到10pF，测试传感器的静压影响为+0.105％。由于理想的补偿效果是静压影响为0％，故静压补偿电容Cb的理想值应该在5pF～10pF之间。
实施例3硅电容传感器，编号06050168，实测传感器静压影响为+0.25％。
将图5所示静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，在静压补偿板上D1的位置焊接并联电容5pF，测试传感器静压影响为+0.125％；再在静压补偿板上D2的位置焊接并联电容5pF，这时总的补偿电容值达到10pF，测试传感器的静压影响为+0.03％。由此可以判断静压补偿电容Cb的理想值可以取10pF。
实施例4硅电容传感器，编号06050166，实测传感器静压影响为+0.26％。
将图5所示静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，在静压补偿板上D1的位置焊接并联电容5pF，测试传感器静压影响为+0.198％；再在静压补偿板上D2的位置焊接并联电容5pF，测试传感器的静压影响为+0.12％；再在静压补偿板上D3的位置焊接并联电容5pF，这时总的补偿电容值达到15pF，测试传感器的静压影响为+0.043％，该值已经相等满意，故静压补偿电容Cb理想值可以取15pF。
本发明所述差压变送器中的电容转换及处理电路，可以是已经商品化的标准件，也可以是自己开发的，只要具备差压变送器应有的基本功能，都可以采用本发明来实现静压影响补偿功能。其主要功能是对电容传感器的电容进行转换、必要的处理、输出标准信号。其工作过程是传感器电容信号经电容/频率转换或A/D转换、温度传感器的温度信号、手动零位调节信号、手动量程调节信号都与微处理芯片连接，送入的信号经线性化、温度补偿、量程范围调整、传递函数、工程单位、阻尼、通讯以及诊断等程序处理后通过D/A信号转换输出为工业标准电信号4～20mA。
本发明利用图5所示的静压补偿板，来方便实现补偿电容与传感器电容的并联。其连接方法是将图5所示静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，然后再将电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3与转换电路的电容输入端子1、输入端子2、输入端子3对应焊接，从而方便实现了补偿电容与传感器电容的并联实现。
利用本发明提出的方法也可以通过修改处理电路的处理程序，通过在其中增加静压补偿模块，及静压补偿应用模块来实现。
对于智能差压变送器，其采用数字处理技术对电容传感器的性能进行补偿，如图3所示，其工作过程是转换电路把电容信号进行变换，把电容C1及C2的值转换为与之成比例的数值Cp1和Cp2，再由智能处理电路对该数值进行数字处理。
如果前端的差压传感器静压特性不能满足变送器的要求，可以利用智能变送器数字处理程序，采用静压补偿方法提高差压变送器的精度。实现方法是采取对称数字处理方法，相对于式(5)和式(6)，对称处理方法更为方便，更适合数字处理技术应用。具体方法为设定一个静压补偿量Cp，根据式(4)的要求，Cp应该满足下式Cp1+CpCp2-Cp=ΔCp1ΔCp2···(7)]]>其中Cp1为智能电路取得的与电容C1相对应的数值Cp2为智能电路取得的与电容C2相对应的数值
ΔCp1是和ΔC1相对应的数值ΔCp2是和ΔC2相对应的数值可推得Cp=C2*ΔC1-C1*ΔC2ΔC1+ΔC2···(8)]]>这里Cp根据具体情况的不同可能是正值也可能是负值。
采用上面的方法，通过一定的编程，就可以很方便的实现智能差压变送器的静压性能补偿，从而提高差压变送器的精度。
权利要求
1.一种电容差压传感器静压影响补偿方法，其特征在于测试传感器的静压影响值，根据测试值，在传感器电容补偿一固定电容值，增大其等效电容值，以补偿外加静压的影响；根据公式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>和Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>来确定补偿电容Cb值；当传感器的静压影响为负值时，在传感器C2端上并联补偿电容Cb，而当传感器的静压影响为正值时，在传感器C1端上并联补偿电容Cb，选取标准电容时确保与计算Cb的偏差小于0.1PF。
2.根据权利要求1所述的电容差压传感器静压影响补偿方法，其特征在于在操作方式是零静压下用LCR电容表测试传感器的电容值为C1及C2；然后在10MPa静压下，用LCR电容表测试传感器的电容值并计算出相对应电容的增加值ΔC1及ΔC2；通过计算，如果C1C2>ΔC1ΔC2]]>成立，则在电容传感器C2电容上并联一固定补偿电容，补偿电容值依据式Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>计算出静压补偿电容Cb值，将静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，取Cb数值相近的固定电容，确保与计算Cb数值偏差小于0.1PF，即可在静压补偿板上D4或D5或D6的位置焊接该补偿电容；如果C1C2<ΔC1ΔC2]]>成立，则在电容传感器C1电容上并联一固定补偿电容，补偿电容值依据式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>计算出静压补偿电容Cb值，将静压补偿板按焊盘孔1、焊盘孔2、焊盘孔3与电容差压传感器的输出端子1、输出端子2、输出端子3对应焊接后，取Cb数值相近的固定电容，确保与计算Cb数值偏差小于0.1PF，即可在静压补偿板上D1或D2或D3的位置焊接该补偿电容；把电容传感器接上转换电路及处理电路，组成差压变送器，测试变送器的静压影响，验证其静压影响是否达到补偿效果；如果补偿效果不理想，可以微调Cb的数值，最终使得电容传感器的静压指标符合要求。
3.一种电容差压传感器静压影响补偿方法，其特征在于静压补偿值计算的对称处理方法，计算公式为Cp=C2*ΔC1-C1*ΔC2ΔC1+ΔC2,]]>计算得到的Cp值可能是正值也可能是负值；修改数值处理电路中的程序模块以使传感器输出该Cp值，实现智能差压变送器的静压性能补偿。
全文摘要
电容差压传感器静压影响补偿方法，包括把传感器接上转换电路及处理电路组成差压变送器，其特征在于测试变送器静压影响误差值，补偿一固定电容值，增大其等效电容值，以补偿外加静压的影响；根据公式Cb=C2× ΔC1/ΔC2－C1和Cb=C1× ΔC2/ΔC1－C2来确定补偿电容Cb值；当变送器的静压影响为负值时，在传感器C2端上并联补偿电容Cb，而当变送器的静压影响为正值时，在传感器C1端上并联补偿电容Cb，选取标准电容时确保与计算Cb的偏差小于0.1PF。这种方法简便易操作，成本低，大大提高了电容传感器的性价比，对电容传感器的批量生产极为有利。
文档编号G01L9/12GK1948933SQ200610134139
公开日2007年4月18日 申请日期2006年11月3日 优先权日2006年11月3日
发明者张治国, 匡石, 陈信奇, 李颖, 刘沁 申请人:沈阳仪表科学研究院