專利名稱：電容差壓傳感器靜壓影響補償方法
技術領域：
本發(fā)明涉及傳感器制造及其信號處理技術，一種電容差壓傳感器靜壓影響補償方法。
背景技術：
電容差壓傳感器是一種新型的差壓傳感器，其核心檢測部件把外加的兩個不同壓力信號轉換為各個相應的電容變化，后部檢測電路則把電容的變化轉換為電信號，對該電信號進行處理檢測就可以得到外加壓力的差壓值。
對于差壓傳感器來說，在理想情況下其輸出與外加壓力差敏感，變化量是唯一的，對壓力值不敏感，即差壓傳感器的靜壓影響應該很小。但實際情況中，有各種因素會造成差壓傳感器的輸出信號會受到靜壓的影響，這種零點的靜壓影響對傳感器的測量結果造成一種附加誤差，直接影響傳感器的精度。
因為靜壓影響直接影響差壓傳感器的測量精度，為了提高差壓傳感器的精度，有必要降低差壓傳感器的靜壓影響，目前高精度的差壓傳感器其靜壓影響一般為0.1％，更高的達到0.05％。
現(xiàn)有技術中對電容差壓傳感器所采取的補償靜壓影響的方法是1、通過優(yōu)化設計及制造工藝，直接提高傳感器的靜壓指標，這種方法從根本上提高傳感器的靜壓指標，但對傳感器的設計及制造工藝乃至工藝裝備要求更高，依賴的條件更嚴格，一定條件下有時候難以實現(xiàn)，并且可能造成成品率低。2、采用軟、硬件補償技術，提高電容傳感器的靜壓指標。這種方法對硬件的要求比較低，易于實現(xiàn)，可以把某些靜壓影響不滿足要求的電容傳感器通過靜壓補償技術轉變?yōu)榉弦蟮碾娙輦鞲衅?，從而提高傳感器的靜壓指標，提高成品率，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。關于電容傳感器靜壓影響補償方面的內容未見到公開報道。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，通過硬件技術措施和軟件數(shù)字處理方法，調整電容差壓傳感器基本電容的比值來降低電容差壓傳感器的靜壓影響。
電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，其特征在于測試傳感器的靜壓影響值，根據(jù)測試值，在傳感器電容補償一固定電容值，增大其等效電容值，以補償外加靜壓的影響；根據(jù)公式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>和Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>來確定補償電容Cb值；當傳感器的靜壓影響為負值時，在傳感器C2端上并聯(lián)補償電容Cb，而當傳感器的靜壓影響為正值時，在傳感器C1端上并聯(lián)補償電容Cb，選取標準電容時確保與計算Cb的偏差小于0.1PF。
本發(fā)明方法的積極效果是在傳感器的電容輸出信號部分做改進，對轉換電路及處理電路沒有變動，適應面廣。本方法對目前商品化的轉換電路及處理電路都適用。
本發(fā)明方法的設計思想是要提高傳感器的輸出精度，減小如圖1所示的電容差壓傳感器的靜壓誤差指標。
普通電容差壓傳感器的工作原理如圖1所示傳感器有正腔和負腔兩個輸入壓力腔，兩個外加壓力表示為正腔壓力P1和負腔壓力P2。
當傳感器沒有受到外加壓力時，即P1＝P2＝0時，傳感器受到的差壓為P1-P2＝0，電容傳感器的零點輸出電容為C1及C2，此時，傳感器的輸出為S，有S=C1-C2C1+C2···(1)]]>當傳感器受到一個靜壓時，傳感器正、負腔同時受到相等的壓力，即P1＝P2≠0時，傳感器受到的差壓為P1-P2＝0，此時電容傳感器的零點輸出電容C1增加ΔC1，電容C2增加ΔC2，這時，對應的兩個電容分別為(C1+ΔC1)和(C2+ΔC2)此時，傳感器的輸出為S’，有S′=(C1+ΔC1)-(C2+ΔC2)(C1+ΔC1)+(C2+ΔC2)···(2)]]>電容傳感器的理想狀況是在有靜壓和無靜壓時，傳感器的輸出沒有變化，即S＝S’即C1-C2C1+C2=(C1+ΔC1)-(C2+ΔC2)(C1+ΔC1)+(C2+ΔC2)···(3)]]>變換上面的式子，有下式成立C1C2=ΔC1ΔC2···(4)]]>即，如果電容差壓傳感器電容特性能夠滿足式(4)，則靜壓對差壓傳感器的輸出特性沒有影響。
在傳感器大多數(shù)產(chǎn)品中，可能不滿足式(4)，由于在外加靜壓下電容差壓傳感器的輸出電容的變化量ΔC1和ΔC2是傳感器的本身特性，如果單獨追求產(chǎn)品性能的理想指標，勢必要提高成本。本發(fā)明方法是改變傳感器基本電容比值，采用給差值低的C1或C2的值并聯(lián)固定電容的方法，使之滿足式(4)，就可以實現(xiàn)傳感器的靜壓影響的補償。這種方法簡便易操作，成本低，并使普通的產(chǎn)品提高了質量檔次，使電容輸出值達到了理想精度。


圖1為普通的電容差壓傳感器示意圖；圖2為本發(fā)明電容差壓傳感器靜壓并聯(lián)電容補償方法例1示意圖；圖3為本發(fā)明電容差壓傳感器靜壓并聯(lián)電容補償方法例2示意圖；圖4為電容轉換及處理電路示意圖；圖5為靜壓補償板示意圖；具體實施方式
電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，能夠實現(xiàn)在有靜壓和無靜壓時，傳感器的輸出沒有變化，其特征在于無靜壓下用LCR電容表測試出傳感器的基礎電容值C1、C2，再在有靜壓但差壓為零時用LCR電容表測試出傳感器的電容值，然后用有靜壓的測得的電容值減去無靜壓時測得的電容值，即得到電容增加值ΔC1、ΔC2，然后分如下兩種情況進行后續(xù)的靜壓補償過程情況①見圖1，假設一個差壓傳感器的測試結果符合C1/C2＞ΔC1/ΔC2，這時靜壓影響為負值，則可以增大C2，來實現(xiàn)靜壓影響的補償。
針對此情況，本發(fā)明的實施方法是在傳感器電容C2上并聯(lián)補償電容Cb，見圖2所示。圖中虛框可看作輸出為C1和C2+Cb的等效電容差壓傳感器。如果要實現(xiàn)傳感器沒有靜壓影響，根據(jù)式(4)，要求下式成立C1C2+Cb=ΔC1ΔC2]]>可推出Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2···(5)]]>在這種狀況下，在傳感器的C2端并聯(lián)一個電容Cb，這樣等效的電容差壓傳感器的電容特性可以滿足式(4)，使等效電容差壓傳感器的輸出特性不受外加的靜壓信號的影響，即實現(xiàn)了電容差壓傳感器的靜壓補償。
情況②如圖1所示，假設一個差壓傳感器的測試結果符合C1/C2＜ΔC1/ΔC2，這時靜壓影響為正值，則可以增大C1，來實現(xiàn)靜壓影響的補償。
針對情況②，本發(fā)明的實現(xiàn)方法是在傳感器電容C1上并聯(lián)補償電容Cb，見圖3所示。圖中虛框可看作輸出為C1+Cb和C2的等效電容差壓傳感器。如果要實現(xiàn)傳感器沒有靜壓影響，根據(jù)式(4)，要求下式成立C1+CbC2=ΔC1ΔC2]]>可推出Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1···(6)]]>在這種情況下，如果在傳感器的電容C1端并聯(lián)一個電容Cb，這樣等效的電容差壓傳感器的電容特性可以滿足式(4)，使等效電容差壓傳感器的輸出特性不受外加的靜壓信號的影響，即實現(xiàn)了電容差壓傳感器的靜壓補償。
實施例1硅電容傳感器，編號06040134，在零靜壓下用LCR電容表測試傳感器的電容值如下C1＝82.53pF，C2＝85.30pF。
然后在10MPa靜壓下，用LCR電容表測試傳感器相應電容的增加值如下ΔC1＝0.84pF，ΔC2＝1.02pF。
把傳感器接上轉換電路及處理電路，組成差壓變送器，測試變送器的靜壓影響為-0.4％/10MPa。該誤差比較大，采用下面的方法減小該誤差。利用測試得到的C1、C2、ΔC1、ΔC2，得到C1C2>ΔC1ΔC2,]]>這時靜壓影響為負值，符合情況①，可以增大C2，既在C2上并聯(lián)一個電容Cb，原理見圖2所示用式(5)計算得到Cb＝14.91pF，即在C2上并聯(lián)14.91pF的固定電容，可以實現(xiàn)靜壓補償，減小靜壓影響。實現(xiàn)的方法是將圖5所示靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，取與Cb＝14.91pF相近的標準電容15PF，在靜壓補償板上D4的位置焊接并聯(lián)電容15PF；在取標準電容時確保與計算Cb的偏差小于0.1PF即可。
并聯(lián)電容Cb后，測試變送器的靜壓影響，試驗數(shù)據(jù)如下在靜壓補償板上D4位置未并聯(lián)電容時，即未進行靜壓補償，先進行測試，通過把傳感器與轉化電路和處理電路組合成變送器，測得傳感器的靜壓影響為-0.4％；當在靜壓補償補償板上D4位置并聯(lián)固定電容15pF后，相應的變送器的靜壓影響為+0.025％，變送器的靜壓影響大幅提高。該實例證明，本發(fā)明提出的靜壓補償方法的實用效果很好。
在上面的試驗過程中，測試了無靜壓下基礎電容值和有靜壓下的電容值，這一步驟實際過程中可以省略，即根據(jù)實際應用經(jīng)驗，當變送器的靜壓影響為負值時，一般需要在傳感器的C2端子上并聯(lián)補償電容Cb，而當變送器的靜壓影響為正值時，一般需要在傳感器的C1端子上并聯(lián)補償電容Cb。具體的Cb的數(shù)值大小既可以通過計算，也可以通過傳感器的靜壓測試過程逐步接近理想值。
實施例2硅電容傳感器，編號06070221，組裝成變送器后實測靜壓影響為-0.18％。
因為靜壓影響為負值，需要在傳感器的C2電容處并聯(lián)補償電容。如圖2所示靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，在圖5所示靜壓補償板上D4的位置焊接并聯(lián)電容5pF，測試傳感器靜壓影響為-0.065％；再在靜壓補償板上D5的位置焊接并聯(lián)電容5pF，這時總的并聯(lián)電容值達到10pF，測試傳感器的靜壓影響為+0.105％。由于理想的補償效果是靜壓影響為0％，故靜壓補償電容Cb的理想值應該在5pF～10pF之間。
實施例3硅電容傳感器，編號06050168，實測傳感器靜壓影響為+0.25％。
將圖5所示靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，在靜壓補償板上D1的位置焊接并聯(lián)電容5pF，測試傳感器靜壓影響為+0.125％；再在靜壓補償板上D2的位置焊接并聯(lián)電容5pF，這時總的補償電容值達到10pF，測試傳感器的靜壓影響為+0.03％。由此可以判斷靜壓補償電容Cb的理想值可以取10pF。
實施例4硅電容傳感器，編號06050166，實測傳感器靜壓影響為+0.26％。
將圖5所示靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，在靜壓補償板上D1的位置焊接并聯(lián)電容5pF，測試傳感器靜壓影響為+0.198％；再在靜壓補償板上D2的位置焊接并聯(lián)電容5pF，測試傳感器的靜壓影響為+0.12％；再在靜壓補償板上D3的位置焊接并聯(lián)電容5pF，這時總的補償電容值達到15pF，測試傳感器的靜壓影響為+0.043％，該值已經(jīng)相等滿意，故靜壓補償電容Cb理想值可以取15pF。
本發(fā)明所述差壓變送器中的電容轉換及處理電路，可以是已經(jīng)商品化的標準件，也可以是自己開發(fā)的，只要具備差壓變送器應有的基本功能，都可以采用本發(fā)明來實現(xiàn)靜壓影響補償功能。其主要功能是對電容傳感器的電容進行轉換、必要的處理、輸出標準信號。其工作過程是傳感器電容信號經(jīng)電容/頻率轉換或A/D轉換、溫度傳感器的溫度信號、手動零位調節(jié)信號、手動量程調節(jié)信號都與微處理芯片連接，送入的信號經(jīng)線性化、溫度補償、量程范圍調整、傳遞函數(shù)、工程單位、阻尼、通訊以及診斷等程序處理后通過D/A信號轉換輸出為工業(yè)標準電信號4～20mA。
本發(fā)明利用圖5所示的靜壓補償板，來方便實現(xiàn)補償電容與傳感器電容的并聯(lián)。其連接方法是將圖5所示靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，然后再將電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3與轉換電路的電容輸入端子1、輸入端子2、輸入端子3對應焊接，從而方便實現(xiàn)了補償電容與傳感器電容的并聯(lián)實現(xiàn)。
利用本發(fā)明提出的方法也可以通過修改處理電路的處理程序，通過在其中增加靜壓補償模塊，及靜壓補償應用模塊來實現(xiàn)。
對于智能差壓變送器，其采用數(shù)字處理技術對電容傳感器的性能進行補償，如圖3所示，其工作過程是轉換電路把電容信號進行變換，把電容C1及C2的值轉換為與之成比例的數(shù)值Cp1和Cp2，再由智能處理電路對該數(shù)值進行數(shù)字處理。
如果前端的差壓傳感器靜壓特性不能滿足變送器的要求，可以利用智能變送器數(shù)字處理程序，采用靜壓補償方法提高差壓變送器的精度。實現(xiàn)方法是采取對稱數(shù)字處理方法，相對于式(5)和式(6)，對稱處理方法更為方便，更適合數(shù)字處理技術應用。具體方法為設定一個靜壓補償量Cp，根據(jù)式(4)的要求，Cp應該滿足下式Cp1+CpCp2-Cp=ΔCp1ΔCp2···(7)]]>其中Cp1為智能電路取得的與電容C1相對應的數(shù)值Cp2為智能電路取得的與電容C2相對應的數(shù)值
ΔCp1是和ΔC1相對應的數(shù)值ΔCp2是和ΔC2相對應的數(shù)值可推得Cp=C2*ΔC1-C1*ΔC2ΔC1+ΔC2···(8)]]>這里Cp根據(jù)具體情況的不同可能是正值也可能是負值。
采用上面的方法，通過一定的編程，就可以很方便的實現(xiàn)智能差壓變送器的靜壓性能補償，從而提高差壓變送器的精度。
權利要求
1.一種電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，其特征在于測試傳感器的靜壓影響值，根據(jù)測試值，在傳感器電容補償一固定電容值，增大其等效電容值，以補償外加靜壓的影響；根據(jù)公式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>和Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>來確定補償電容Cb值；當傳感器的靜壓影響為負值時，在傳感器C2端上并聯(lián)補償電容Cb，而當傳感器的靜壓影響為正值時，在傳感器C1端上并聯(lián)補償電容Cb，選取標準電容時確保與計算Cb的偏差小于0.1PF。
2.根據(jù)權利要求1所述的電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，其特征在于在操作方式是零靜壓下用LCR電容表測試傳感器的電容值為C1及C2；然后在10MPa靜壓下，用LCR電容表測試傳感器的電容值并計算出相對應電容的增加值ΔC1及ΔC2；通過計算，如果C1C2>ΔC1ΔC2]]>成立，則在電容傳感器C2電容上并聯(lián)一固定補償電容，補償電容值依據(jù)式Cb=C1*ΔC2ΔC1-C2]]>計算出靜壓補償電容Cb值，將靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，取Cb數(shù)值相近的固定電容，確保與計算Cb數(shù)值偏差小于0.1PF，即可在靜壓補償板上D4或D5或D6的位置焊接該補償電容；如果C1C2<ΔC1ΔC2]]>成立，則在電容傳感器C1電容上并聯(lián)一固定補償電容，補償電容值依據(jù)式Cb=C2*ΔC1ΔC2-C1]]>計算出靜壓補償電容Cb值，將靜壓補償板按焊盤孔1、焊盤孔2、焊盤孔3與電容差壓傳感器的輸出端子1、輸出端子2、輸出端子3對應焊接后，取Cb數(shù)值相近的固定電容，確保與計算Cb數(shù)值偏差小于0.1PF，即可在靜壓補償板上D1或D2或D3的位置焊接該補償電容；把電容傳感器接上轉換電路及處理電路，組成差壓變送器，測試變送器的靜壓影響，驗證其靜壓影響是否達到補償效果；如果補償效果不理想，可以微調Cb的數(shù)值，最終使得電容傳感器的靜壓指標符合要求。
3.一種電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，其特征在于靜壓補償值計算的對稱處理方法，計算公式為Cp=C2*ΔC1-C1*ΔC2ΔC1+ΔC2,]]>計算得到的Cp值可能是正值也可能是負值；修改數(shù)值處理電路中的程序模塊以使傳感器輸出該Cp值，實現(xiàn)智能差壓變送器的靜壓性能補償。
全文摘要
電容差壓傳感器靜壓影響補償方法，包括把傳感器接上轉換電路及處理電路組成差壓變送器，其特征在于測試變送器靜壓影響誤差值，補償一固定電容值，增大其等效電容值，以補償外加靜壓的影響；根據(jù)公式Cb=C2×　　ΔC1/ΔC2－C1和Cb=C1× ΔC2/ΔC1－C2來確定補償電容Cb值；當變送器的靜壓影響為負值時，在傳感器C2端上并聯(lián)補償電容Cb，而當變送器的靜壓影響為正值時，在傳感器C1端上并聯(lián)補償電容Cb，選取標準電容時確保與計算Cb的偏差小于0.1PF。這種方法簡便易操作，成本低，大大提高了電容傳感器的性價比，對電容傳感器的批量生產(chǎn)極為有利。
文檔編號G01L9/12GK1948933SQ200610134139
公開日2007年4月18日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權日2006年11月3日
發(fā)明者張治國, 匡石, 陳信奇, 李穎, 劉沁 申請人:沈陽儀表科學研究院