压力传感器及其信号校准方法与流程

本发明涉及传感器技术领域，更为具体地，涉及一种测试量程区间可调的压力传感器及其信号校准方法。

背景技术：

目前，数字压力传感器的量程一般是固定不便的，一款数字压力传感器对应一个固定的精度保证量程，但在实际的应用中，根据应用条及使用环境的变化需要两个甚至多个精度保证量程；在这种情况下，一是使用多个数字压力传感器，二是牺牲常用量程区间精度选用宽量程测量；前者会增加产品成本，可操作性低，而后者会影响传感器的使用功能，降低测试精度。例如：数字压力传感器在手机及可穿戴应用中，一方面需要数字压力传感器可以测量海拔-1000m～9000m的变化，即压力精度保证区间在(30KPa～110KPa)；另一方面需要辨别海拔在-700m～1000m之间的爬楼高度，即压力保证区间(90KPa～110KPa)，如果为了满足(30KPa～110KPa)量程则会牺牲(90KPa～110KPa)量程的精度。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种压力传感器及其信号校准方法，以解决目前压力传感器的量程固定不变，在测量范围与测量精度之间存在矛盾等问题。

根据本发明的一个方面，提供一种压力传感器信号校准方法，压力传感器包括至少两个量程区间，在各量程区间内均配置有相应放大倍数的放大器以及相应偏移量的模数转换器；信号校准方法包括：在量程区间内选取校准压力点；根据所选取的校准压力点与相对应量程区间内的放大倍数和偏移量，对量程区间进行温度补偿校准，获取对应的校准方程参数，并储存至对应的存储器中；根据存储器中相应的校准方程参数，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

此外，优选的方案是，在对量程区间进行温度补偿校准的过程中，根据校准方程参数获取对应的校准方程，校准方程为压力与温度的二元方程；根据校准方程，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

此外，优选的方案是，压力传感器还包括温度MEMS芯片，将温度MEMS芯片采集的当前温度信号以及压力MEMS芯片采集的原始压力信号代入校准方程中，获取校准后的压力输出值。

此外，优选的方案是，在获取对应的校准方程参数的过程中，建立对应量程区间内的校准方程模型，校准方程模型包括待求解的校准系数；在量程区间内选取若干组校准压力点，校准压力点的组数不小于校准方程模型中待求解的校准系数的个数，将每组校准压力点中的温度信号和压力信号代入校准方程模型中；根据最小二乘法求解校准方程模型中的校准系数，获取该量程区间内的校准方程。

此外，优选的方案是，各量程区间采用相同形式的校准方程模型；或者，采用不同形式的校准方程模型。

此外，优选的方案是，校准压力点在对应的量程区间内均匀分布。

此外，优选的方案是，在对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出的过程中，通过显示单元对校准后的压力信号进行显示输出。

根据本发明另一方面，提供一种压力传感器，利用上述压力传感器信号校准方法对压力传感进行校准；其中，压力传感器包括采集温度信号的温度MEMS芯片、采集原始压力信号的压力MEMS芯片，以及与压力MEMS芯片顺次连接的补偿校准单元、存储器以及数字信号处理器；其中，压力传感器包括至少两个量程区间，在各量程区间内均配置有相应的放大器的放大倍数以及模数转换单元的偏移量；补偿校准单元，根据在量程区间内选取的校准压力点与相对应量程区间内的放大倍数和偏移量，对量程区间进行温度补偿校准，获取对应的校准方程参数，并储存至对应的存储器中；数字信号处理器，根据存储器中相应的校准方程参数，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

此外，优选的方案是，补偿校准单元进一步包括放大器和模数转换器，其中，放大器用于对MEMS芯片采集到的原始压力信号进行放大；模数转换器用于将放大器放大后的原始压力信号进行模拟-数字转换。

此外，优选的方案是，还包括压力显示单元，压力显示单元用于将数字信号处理器获得的校准后的数字压力信号进行显示输出。

利用上述根据本发明的压力传感器及其信号校准方法，设置有多个量程区间，针对不同的量程区间配置有相应的校准方程参数，在选用不同的量程区间时，可以根据对应区间内的校准方程参数，对压力传感器的输出电压进行校准，压力传感器的适用范围广，能够确保产品的测量精度一直处于最佳状态。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的压力传感器信号校准方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的压力传感器原理框图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

为详细描述本发明实施的压力传感器及其信号校准方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的压力传感器信号校准方法的流程。

如图1所示，在本发明实施例的压力传感器信号校准方法中，其中压力传感器包括至少两个量程区间，在各量程区间内均配置有相应放大倍数的放大器以及相应偏移量的模数转换器；信号校准方法包括以下步骤：

S110：在量程区间内选取校准压力点；

S120：根据所选取的校准压力点与相对应量程区间内的放大倍数和偏移量，对量程区间进行温度补偿校准，获取对应的校准方程参数，并储存至对应的存储器中；

S130：根据存储器中相应的校准方程参数，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

在步骤S120中，在对量程区间进行温度补偿校准的过程中，根据校准方程参数获取对应的校准方程，校准方程为压力与温度的二元方程，根据获取的校准方程，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。其中，压力传感器还包括温度MEMS，将温度MEMS芯片采集的当前温度信号以及压力MEMS芯片采集的原始压力信号代入校准方程中，即可获取校准后的压力输出值。

在本发明的一个具体实施方式中，在获取对应的校准方程参数的过程中，首先建立对应量程区间内的校准方程模型，校准方程模型包括待求解的校准系数，在量程区间内选取若干组校准压力点，校准压力点的组数不小于校准方程模型中待求解的校准系数的个数，将每组校准压力点中的温度信号和压力信号代入校准方程模型中；最终，根据最小二乘法求解校准方程模型中的校准系数，获取该量程区间内的校准方程。

其中，各量程区间可以采用相同形式的校准方程模型；或者，采用不同形式的校准方程模型；同时，校准压力点在对应的量程区间内均匀分布或者不规则分布均可。

在步骤S130中，可以通过显示单元，例如，显示屏或者触摸屏等，对校准后的压力信号进行显示输出。其中，显示单元可以进一步包括压力显示单元和和量程区间显示单元，在选取不同的量程区间后，能够通过压力显示单元，对数字信号处理器获得的校准后的数字压力信号进行显示输出，而量程区间显示单元则可以显示当前所选取的量程，方便测试人员对输出数据的读取以及后期处理等。

与上述压力传感器信号校准方法相对应，本发明还提供一种压力传感器，利用上述压力传感器信号校准方法对压力传感进行校准。

具体地，图2示出了根据本发明实施例的压力传感器原理。

如图2所示，本发明实施例的压力传感器包括采集温度信号的温度MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)芯片、采集原始压力信号的压力MEMS芯片，以及与压力MEMS芯片顺次连接的补偿校准单元、存储器以及数字信号处理器；其中，压力传感器包括至少两个量程区间，在各量程区间内均配置有相应放大器的放大倍数以及相应的模数转换单元的偏移量；补偿校准单元，根据在量程区间内选取的校准压力点与相对应量程区间内的放大倍数和偏移量，对量程区间进行温度补偿校准，获取对应的校准方程参数，并储存至对应的存储器中；数字信号处理器，根据存储器中相应的校准方程参数，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

其中，补偿校准单元进一步包括放大器和模数转换器，其中，放大器用于根据对应的放大倍数对MEMS芯片采集到的原始压力信号进行放大；模数转换器用于将放大器放大后的原始压力信号根据对应的偏移量进行模拟-数字转换，最终形成可供数字信号处理器处理的数字信号。

换言之，本发明实施例的压力传感器包括用于采集温度信号的温度MEMS芯片、采集初始压力信号的压力MEMS芯片，以及与压力MEMS芯片顺次连接的放大器、模数转换器、存储器以及数字信号处理器；其中，压力传感器包括多个量程区间，在各量程区间内均配置有相应的放大器的放大倍数以及模数转换器的偏移量；例如：放大倍数GAIN1及对应的偏移量OFFSET1，放大倍数GAIN2及对应的偏移量OFFSET2等。

结合压力传感器信号校准方法，在对压力传感器进行校准的过程中，首先选取校准压力点，根据与校准压力点相对应量程区间内的放大倍数和偏移量，对该量程区间进行温度补偿校准，从而获取与该区间对应的校准方程参数，并将其储存至对应的存储器中，或者存储至存储器的ROM1中；然后，与存储器ROM1对应的数字信号处理器DSP1根据存储器ROM1中相应的校准方程参数，对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出。

具体地，在对量程区间进行温度补偿校准的过程中，首先根据校准方程参数获取对应的校准方程，校准方程为压力与温度的二元方程，例如，温度值[T1，T2，T3…Tn]与压力值[P1，P2，P3…Pn](其中，n为自然数)之间的关系为二次函数关系；数字信号处理器DSP1根据获取的校准方程，将温度MEMS芯片采集的当前温度信号以及压力MEMS芯片采集的原始压力信号均代入相应的校准方程中，即可获取校准后的压力输出值，从而实现通过数字信号处理器对压力MEMS芯片采集到的原始压力信号进行校准输出的目的。

其中，在选用不同量程区间时，可根据对应的放大倍数和偏移量获取对应量程区间内的校准方程，从而使得输出的压力信号持续保持较高的精确度。

在本发明的一个具体实施方式中，可以在获取对应的校准方程参数的过程中，建立对应量程区间内的校准方程模型，校准方程模型包括待求解的校准系数，在量程区间内选取若干组校准压力点；其中，校准压力点的组数不小于校准方程模型中待求解的校准系数的个数，将每组校准压力点中的温度信号和压力信号代入校准方程模型中，根据最小二乘法求解校准方程模型中的校准系数，从而最终获取该量程区间内的校准方程。

此外，各量程区间可以采用相同形式的校准方程模型；或者，采用不同形式的校准方程模型。同时，校准压力点的选取也可以采用多种方式，例如，校准压力点在对应的量程区间内均匀分布，或者主要分布在量程区间的两端和中部位置。

在本发明的一个具体实施方式中，压力传感器还可以包括压力显示单元以及量程区间显示单元，在选取不同的量程区间后，能够通过压力显示单元，对数字信号处理器获得的校准后的数字压力信号进行显示输出，而量程区间显示单元则可以显示当前的选取量程，方便测试人员对输出数据的读取以及后期处理等。

需要说明的是，本发明实施例中的压力传感器装置及其对应的压力传感器校准方法，相同之处可相互借鉴，此处不再一一赘述。

综上所示，本发明提供的压力传感器及其信号校准方法，设置有多个不同的量程区间，针对每个量程区间均设置有匹配的校准方程，用户可以根据不同的应用场景选择不同的放大倍数、偏移量和校准方程，并依据对应的校准方程对初始压力信号进行校准输出，使用范围广、成本低，并且在选用不同的量程区间时，均可保压力传感器的测量精度。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的压力传感器及其信号校准方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的压力传感器及其信号校准方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。