一种压力传感器的输出校准装置及方法与流程

本发明涉及电子器件领域。更具体地，涉及一种压力传感器的输出校准装置及方法。

背景技术：

在现有的对于触摸屏的压力测量中，采用的方式是利用压力传感器进行感测并利用放大器直接放大压力传感器的输出信号并通过电位器校准压力传感器输出的模拟电压信号，压力传感器的性能完全被看成理想状态的单纯线性输出。但是由于在整个测量和校准的过程中，还有很多环境因素会影响测量结果。比如压力传感器的信号输出不是真正的线性输出而是曲线输出、放大器的增益在整个量程段内会随着信号的变化存在偏移等。由于采用电位器调节输出，在校准的时候操作起来就变得很复杂，精度低且效率低。

因此，需要提供一种用于高精度且高效率的针对用于触摸屏的压力测量的压力传感器的输出校准装置及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高精度且高效率的压力传感器的输出校准装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明公开了一种压力传感器的输出校准装置，包括：adc转换芯片、存储模块、数据处理模块、温度传感器、dac转换芯片和运算放大器；

所述adc转换芯片，对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换为数字信号；

所述存储模块存储的数据包括：将压力传感器感测的压力值与利用所述adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号代表的电压值的第一关系曲线及将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后每一个线段的斜率、温度值与压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差的第二关系曲线；

所述数据处理模块，读取所述存储模块存储的数据，基于分段线性插值法对所述数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿以实现校准；

所述dac转换芯片，将线性补偿后的数字信号转换为模拟信号；

所述运算放大器，对所述模拟信号进行放大后输出。

优选地，在该装置中，所述数据处理模块基于分段线性插值法对所述数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿的公式如下：

vq＝k×(ns+ts)+a

其中，vq为线性补偿后的数字信号代表的电压值；ns为线性补偿前的数字信号代表的电压值；k为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的斜率；a为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的起始值；ts为根据温度传感器感测的温度值在第二关系曲线中对应的温度漂移误差得到的温度补偿值。

优选地，在该装置中，所述adc转换芯片和压力传感器采用同一个电源供电。

优选地，在该装置中，所述存储模块、数据处理模块和温度传感器集成于单片机。

本发明还公开了一种压力传感器的输出校准方法，包括：

参数获取阶段：在向压力传感器施加从零到满量程的压力值的过程中，利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换为数字信号并绘制压力传感器感测的压力值与利用所述adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号代表的电压值的第一关系曲线，将所述第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后获取每一个线段的斜率；

改变所述压力传感器和adc转换芯片的工作温度并绘制温度值与压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差的第二关系曲线；

实际测量阶段：基于分段线性插值法对利用所述adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿以实现校准；

将线性补偿后的数字信号转换为模拟信号，并对所述模拟信号进行放大后输出。

优选地，在该方法中，基于分段线性插值法对利用所述adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿的公式如下：

vq＝k×(ns+ts)+a

其中，vq为线性补偿后的数字信号代表的电压值；ns为线性补偿前的数字信号代表的电压值；k为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的斜率；a为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的起始值；ts为根据利用温度传感器感测的温度值在第二关系曲线中对应的温度漂移误差得到的温度补偿值。

优选地，在该方法中，在参数获取阶段和实际测量阶段均采用同一个电源为所述adc转换芯片和压力传感器供电。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案校准精度高且校准效率高，可实现压力传感器高精度、高抗干扰能力的数据采集，且本发明所述技术方案可靠性高，使用寿命长。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出压力传感器的输出校准装置的结构示意图。

图2示出压力传感器的输出校准装置的电路示意图。

图3示出压力传感器的电桥电路示意图。

图4示出压力传感器的电路示意图。

图5示出dac转换芯片的电路示意图。

图6示出传感器输出特性的示意图。

图7示出第一关系曲线的示意图。

图8示出第二关系曲线的示意图。

图9示出压力传感器的输出校准方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1和图2共同所示，本实施例提供了一种压力传感器的输出校准装置，包括：adc转换芯片、存储模块、数据处理模块、温度传感器、dac转换芯片和运算放大器；其中，adc转换芯片的输入端电性连接压力传感器的输出端，数据处理模块分别与adc转换芯片的输出端、存储模块、温度传感器的输出端和dac转换芯片的输入端电性连接，dac转换芯片的输出端与运算放大器的输入端电性连接，运算放大器的输出端作为整个压力传感器的输出校准装置的输出端，连接上位机等需要读取压力传感器的输出信号的设备；

adc转换芯片，对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换为数字信号；

存储模块存储的数据包括：将压力传感器感测的压力值与利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号代表的电压值的第一关系曲线及将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后每一个线段的斜率、温度值与压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差的第二关系曲线；

数据处理模块，读取存储模块存储的数据，基于分段线性插值法对数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿以实现校准，从而实现线性输出；该基于分段线性插值法的输入参数是数字信号代表的电压值和温度传感器感测的温度值，温度传感器感测的温度值可代表压力传感器和adc转换芯片的工作温度值；

dac转换芯片，将线性补偿后的数字信号转换为模拟信号；

运算放大器，对模拟信号进行放大后输出，运算放大器的输出信号作为压力传感器的输出校准装置的输出信号，其中，运算放大器优选为2倍运算放大器。

其中，

如图3和图4共同所示，压力传感器的电桥电路在标准的激励电源的激励下，根据感测的压力值产生电压的变化，输出模拟电压信号。

在具体实施时，本实施例中的adc转换芯片优选为高精度、高性能的cs5530型adc转换芯片。

在具体实施时，本实施例中的dac转换芯片优选为如图5所示的用于对数字信号进行转换的dac8311型dac转换芯片。

对于压力传感器和压力传感器的输出校准装置的非线性误差和温度漂移误差：

压力传感器的输出特性如图6所示，其中，左边的曲线图示出的是非线性灵敏度，非线性灵敏度s＝△u/△f；右边的曲线图示出的是线性灵敏度，线性灵敏度s＝(u-u0)/(f-f0)。

在压力传感器和和本实施例提供的压力传感器的输出校准装置中，压力传感器和adc转换芯片存在非线性误差和温度漂移误差，带来了精度的降低，为了保证在整个测量范围内满足精度的要求，本实施例中的数据处理模块对adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿以实现校准。

在具体实施时，数据处理模块采用的是分段线性插值法，数据处理模块基于分段线性插值法对数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿的公式如下：

vq＝k×(ns+ts)+a

其中，vq为线性补偿后的数字信号代表的电压值；ns为线性补偿前的数字信号代表的电压值；k为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的斜率；a为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的起始值；ts为根据温度传感器感测的温度值在第二关系曲线中对应的温度漂移误差得到的温度补偿值。

需要说明的是，存储于存储模块的第一关系曲线及将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后获取每一个线段的斜率的获取方式为：在向压力传感器施加从零到满量程的压力值的过程中，利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换为数字信号并绘制压力传感器感测的压力值与利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号代表的电压值的如图7所示的第一关系曲线，将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后获取每一个线段的斜率。存储于存储模块的第二关系曲线的获取方式为：改变压力传感器和adc转换芯片的工作温度并绘制温度值与压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差的如图8所示的第二关系曲线，其中，压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差即压力传感器和adc转换芯片共同的温度漂移误差。获取的第一关系曲线及将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后获取的每一个线段的斜率和第二曲线均存储于存储模块中，以实现在利用压力传感器进行实际测量时供数据处理模块读取/调用，数据处理模块判断线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段，获取该线段的斜率，根据温度传感器感测的温度值在第二关系曲线中找到对应的温度漂移误差并根据温度漂移误差得到温度补偿值，最后再利用上述公式实现对数字信号的针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿。

在具体实施时，本实施例中的存储模块、数据处理模块和温度传感器集成于单片机，单片机优选高性能的stm8s103f3p3型单片机。另外，单片机还可设有校零键和满量程校准键，可在单片机中加载校准压力传感器的零位和满载输出信号的自动校准程序，在压力传感器和adc转换芯片预热后空载和满载状态下，只需分别按下校零键和满量程校准键就可以完成对压力传感器的零位和满载输出信号的校准。另外，单片机还设有rs232通信端口，可通过该端口实现对单片机程序及存储数据的操作。

在具体实施时，本实施例中的adc转换芯片和压力传感器采用同一个电源供电，这样可消除由于电源波动带来的误差，可进一步实现比率式测量。

如图9所示，本实施例还提供了一种压力传感器的输出校准方法，包括：

参数获取阶段：在向压力传感器施加从零到满量程的压力值的过程中，利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换为数字信号并绘制压力传感器感测的压力值与利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号代表的电压值的第一关系曲线，将第一关系曲线划分为若干视为直线的线段后获取每一个线段的斜率；

改变压力传感器和adc转换芯片的工作温度并绘制温度值与压力传感器和adc转换芯片的温度漂移误差的第二关系曲线；

实际测量阶段：基于分段线性插值法对利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿以实现校准，该基于分段线性插值法的输入参数是数字信号代表的电压值和利用温度传感器感测的温度值；

将线性补偿后的数字信号转换为模拟信号，并对模拟信号进行放大后输出。

在具体实施时，基于分段线性插值法对利用adc转换芯片对压力传感器输出的模拟电压信号进行放大滤波后转换得到的数字信号进行针对非线性误差和温度漂移误差的线性补偿的公式如下：

vq＝k×(ns+ts)+a

其中，vq为线性补偿后的数字信号代表的电压值；ns为线性补偿前的数字信号代表的电压值；k为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的斜率；a为线性补偿前的数字信号代表的电压值在第一关系曲线中对应线段的起始值；ts为根据利用温度传感器感测的温度值在第二关系曲线中对应的温度漂移误差得到的温度补偿值。

在具体实施时，在参数获取阶段和实际测量阶段均采用同一个电源为adc转换芯片和压力传感器供电。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。