專利名稱:用于判定和校準(zhǔn)線性傳感器輸出的數(shù)學(xué)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及線性傳感器以及這類傳感器的校準(zhǔn)和使用。本發(fā)明適用于包含一個(gè)或一個(gè)以上的線性傳感器的系統(tǒng)。
背景技術(shù):
在遍及各種工業(yè)的大量應(yīng)用中使用了傳感器。傳感器能用于檢測(cè)許多不同的性狀。例如,使用傳感器檢測(cè)壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩以及許多其他的性狀是公知的。在大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用中,傳感器也被稱為變送器。
傳感器是否為線性取決于其輸出(例如電壓等電信號(hào))與被測(cè)量的輸入(例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩等等)如何關(guān)聯(lián)。當(dāng)在恒溫下運(yùn)行傳感器時(shí),如果輸入與輸出之間的關(guān)系在本質(zhì)上是線性的,則將該傳感器理解為是線性的。如果不是線性的,根據(jù)傳感器輸入與輸出之間存在何種其他類型的關(guān)系(例如指數(shù)的)對(duì)傳感器進(jìn)行特征化。
在某些應(yīng)用中,一個(gè)或一個(gè)以上的傳感器可被集成在較大的單元中。例如,機(jī)電單元在一個(gè)整體單元中提供機(jī)械部件與電子部件(例如微處理器和/或存儲(chǔ)器)。機(jī)電單元可以相當(dāng)小,包含不多于一傳感器與一電子部件,其中,該電子部件例如能夠存儲(chǔ)用于該個(gè)體傳感器的校準(zhǔn)算法。然而,工業(yè)應(yīng)用中的機(jī)電單元常常包括許多部件,這些部件一起工作以完成分離的功能。
廣泛用于工業(yè)的一類機(jī)電單元在性質(zhì)上是電動(dòng)液壓的,其在一個(gè)整體單元中集成了液壓部件與電子部件。人們知道,許多電動(dòng)液壓?jiǎn)卧ㄒ粋€(gè)或一個(gè)以上的傳感器以促進(jìn)實(shí)現(xiàn)該單元的所希望的、可靠的運(yùn)行。例如,螺線管操作的壓力控制閥是通常在其中使用傳感器的電動(dòng)液壓?jiǎn)卧?。在這種類型的應(yīng)用中,例如,可使用傳感器來對(duì)從這類閥輸出的和/或向這種閥輸入的壓力進(jìn)行確定以及替續(xù)到(relay to)電子部件(例如壓力控制器)。例如,以這種方式替續(xù)壓力讀數(shù)能夠協(xié)助電子壓力控制器在工作期間調(diào)節(jié)閥的液壓部件,以便獲得所希望的壓力輸出。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)含有螺線管操作的壓力控制閥的單元適用于這樣的場(chǎng)合例如,在機(jī)動(dòng)車用自動(dòng)變速器中控制液壓流體的流動(dòng)的應(yīng)用。在這種類型的自動(dòng)變速器中,由向螺線管操作閥提供電信號(hào)的電子控制器控制變速器速度比(transmission speed ratio)的換檔,螺線管操作閥又向壓力響應(yīng)致動(dòng)器提供流體壓力信號(hào),以便完成所希望的變速器速度比改變。
然而,經(jīng)常在系統(tǒng)內(nèi)的傳感器以及其他部件的校準(zhǔn)時(shí)預(yù)測(cè)機(jī)電單元(無論它們是相對(duì)較小還是較大,例如使用螺線管操作壓力控制閥的自動(dòng)變速器系統(tǒng))的準(zhǔn)確度和可靠性。在電子部件中含有傳感器校準(zhǔn)算法的已知機(jī)電單元典型地依賴于將傳感器組裝到完整的機(jī)電單元之前在逐個(gè)傳感器的基礎(chǔ)上確定的傳感器校準(zhǔn)。
但是,運(yùn)行期間對(duì)組裝后的機(jī)電單元(例如螺線管操作的壓力控制閥系統(tǒng))中的傳感器的校準(zhǔn)以及對(duì)傳感器校準(zhǔn)的維護(hù)已被證明是復(fù)雜的。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知,傳感器在組裝前的輸出常常與組裝進(jìn)機(jī)電單元后獲得的傳感器輸出不同。組裝前的傳感器輸出還可能與變化的運(yùn)行條件下的傳感器輸出不同。
例如,粘性波動(dòng)、溫度改變以及暴露于流體污染物等環(huán)境變化能夠影響傳感器輸出。圖1示出了運(yùn)行期間基于溫度變化的個(gè)體傳感器輸出的變化。圖1示出了在三種不同的溫度(即溫度A、溫度B與溫度C)下傳感器輸出與輸入之間的關(guān)系。變化的溫度下在傳感器輸出中觀察到的這種變化在運(yùn)行期間能夠?qū)σ蕾囉趥鞲衅骶_輸出的系統(tǒng)的連續(xù)準(zhǔn)確度產(chǎn)生不利的影響。如果使用傳統(tǒng)的傳感器校準(zhǔn)算法的話,通常沒有將這些環(huán)境變化納入考慮。
還有一些組裝后的變化——例如由于傳感器封裝和附著所產(chǎn)生的變化——也能對(duì)傳感器輸出測(cè)量產(chǎn)生影響。例如,用于對(duì)傳感器進(jìn)行封裝并附著到襯底(substrate)的方法可能影響傳感器的輸出。另外,用于傳感器封裝與附著的材料(例如陶瓷或“FR4”等襯底材料的類型)也能在傳感器組裝到最終產(chǎn)品之中后影響傳感器輸出。
另外,當(dāng)在機(jī)電單元或單元組合中使用一個(gè)以上的傳感器時(shí),在正常的制造加工中帶來的、批次(parts)之間的傳感器差異能夠進(jìn)一步使運(yùn)行期間機(jī)電單元的準(zhǔn)確校準(zhǔn)復(fù)雜化。例如,圖2示出了基于傳感器制造期間產(chǎn)生的批次間差異的傳感器輸出變化。這里所示出的是三個(gè)類似傳感器的傳感器輸出與傳感器輸入之間的關(guān)系,這些傳感器是從不同的制造批(即批次A、批次B、批次C)獲取的。圖2表示的數(shù)據(jù)是在相同的運(yùn)行條件下(例如相同的溫度下)運(yùn)行這三個(gè)不同的傳感器獲得的。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)算法典型地不能普遍適用于不同類型的傳感器。另外,傳統(tǒng)的校準(zhǔn)算法沒有考慮各類傳感器中的個(gè)體差異(例如在正常制造加工中所帶來的個(gè)體差異)。
將環(huán)境變化以及批次間的差異納入考慮,所希望的傳感器輸出與組裝后的機(jī)電單元中的實(shí)際傳感器輸出之間的變化可能高達(dá)約50%。不出意料的是,這樣大的準(zhǔn)確度偏差通常是成問題的。因此,需要對(duì)用于在運(yùn)行期間校準(zhǔn)使用線性傳感器的單元并維護(hù)其準(zhǔn)確校準(zhǔn)的技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
盡管已為使傳感器輸出準(zhǔn)確度的偏差最小化做出了某些努力,這些努力無不具有其缺點(diǎn)。尤其是,這些技術(shù)中有許多需要附加的硬件和/或繁重的各傳感器個(gè)體測(cè)試。
例如,一種用于使傳感器輸出準(zhǔn)確度的偏差最小化的傳統(tǒng)技術(shù)涉及在封裝后對(duì)各傳感器進(jìn)行個(gè)體校準(zhǔn)。這種個(gè)體校準(zhǔn)步驟繼以傳感器的分別的信號(hào)處理和放大,以便促使在所有運(yùn)行條件下獲得線性輸出。然而,這種技術(shù)需要終端用戶使用書面“校準(zhǔn)紙(calibration sheet)”進(jìn)行人工設(shè)置。如同所預(yù)期的那樣,這種人工過程可能效率極其低下,尤其是當(dāng)在較大的機(jī)電單元中使用多個(gè)傳感器的組合的時(shí)候。
作為替代的方法,代替需要書面校準(zhǔn)紙的是可將個(gè)體傳感器耦合到其中編有個(gè)體傳感器校準(zhǔn)算法的、應(yīng)用特有的集成電路(ASIC)。然而,以這種方式使用ASIC的需要成本非常昂貴,且經(jīng)常為各個(gè)體傳感器增加不希望的物理體積,并因此為傳感器被放入其中以便運(yùn)行的單元增加了不希望的物理體積。
另一種使傳感器輸出準(zhǔn)確度的偏差最小化的技術(shù)涉及對(duì)封裝后的傳感器進(jìn)行物理“修整(trimming)”使得各個(gè)體傳感器在所有運(yùn)行條件下提供同樣的輸出。這種技術(shù)仍然具有其缺點(diǎn),缺點(diǎn)之一在于與修正過程相關(guān)聯(lián)的、處理效率的下降。另一個(gè)缺點(diǎn)在于使用這種技術(shù)常常需要信號(hào)處理,這具有降低總體處理效率的影響。
人們希望找到一種使組裝后以及運(yùn)行期間的傳感器準(zhǔn)確度偏差最小化的進(jìn)一步的技術(shù)。具體而言,需要改進(jìn)的校準(zhǔn)方法,特別是提高總體處理效率的校準(zhǔn)方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種對(duì)于判定線性傳感器輸出并保證這種輸出為預(yù)定應(yīng)用提供可接受的公差(tolerance)有用的數(shù)學(xué)模型。本發(fā)明適用于包含一個(gè)或一個(gè)以上的線性傳感器的系統(tǒng)。例如,這種數(shù)學(xué)模型有利地適用于機(jī)電單元中這種線性傳感器的使用和校準(zhǔn)。
本發(fā)明提供了一種為得到運(yùn)行期間的連續(xù)準(zhǔn)確度對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的高效率方法。有利的是,本發(fā)明的方法由終端用戶在組裝后的機(jī)電單元的設(shè)置和運(yùn)行過程中帶來高效率,因?yàn)樵跈C(jī)電單元內(nèi)傳感器的最終組裝之后不需要耗時(shí)且成本巨大的校準(zhǔn)步驟。雖然如此,存儲(chǔ)在機(jī)電單元內(nèi)的校準(zhǔn)算法與傳感器特征化數(shù)據(jù)計(jì)入了最終組裝到機(jī)電單元之中后以及不同運(yùn)行條件下傳感器性能的變化。
在一個(gè)典型實(shí)施例中,發(fā)明的數(shù)學(xué)模型與相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)技術(shù)對(duì)于與例如機(jī)動(dòng)車中使用的自動(dòng)換檔變速器(automatic shifting speed changetransmission)結(jié)合使用的閥的運(yùn)行是有用的。在這種典型實(shí)施例中,電動(dòng)操作的電磁閥由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,以便控制到變速器換檔致動(dòng)器的壓力流體的流動(dòng),其中,變速器換檔致動(dòng)器在變換器換檔操作中使用,例如為帶式離合器制動(dòng)器(band clutch actuator)。當(dāng)如此運(yùn)行時(shí),電磁閥能夠與電子控制器保持聯(lián)系地檢測(cè)線壓力,以便將線壓力調(diào)節(jié)到希望的值。使用發(fā)明的校準(zhǔn)技術(shù)使得對(duì)到換檔致動(dòng)器——其在變速器換檔操作中被使用——的輸出壓力的足夠準(zhǔn)確的控制成為可能。校準(zhǔn)算法與最小限度傳感器特征化數(shù)據(jù)可有利且簡(jiǎn)單地被包含在電子控制器中,以便基于從控制器到閥的當(dāng)前輸入改善所希望的壓力輸出的產(chǎn)生。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的圖形表示,其為基于其運(yùn)行溫度差的傳感器輸出;圖2為現(xiàn)有技術(shù)中的圖形表示,其示出了在一個(gè)運(yùn)行溫度下測(cè)量時(shí)來自一個(gè)制造批次的不同傳感器的輸出的變化;圖3為多種運(yùn)行條件下使用發(fā)明的數(shù)學(xué)模型產(chǎn)生的運(yùn)行分布(operating profile)的圖形表示;圖4為兩個(gè)線性方程的圖形表示,其表示在兩個(gè)不同運(yùn)行溫度下傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系,這些方程是基于其中識(shí)別的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)建的。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種數(shù)學(xué)模型,其使得對(duì)線性傳感器輸出的準(zhǔn)確判定成為可能。發(fā)明的數(shù)學(xué)模型有利地使得一運(yùn)行條件范圍下準(zhǔn)確的傳感器輸出成為可能。這種數(shù)學(xué)模型是通用的,因?yàn)槠溥m用于與任何類型的線性傳感器一起使用。
市場(chǎng)上買得到很多線性傳感器,例如,其中有許多是基于硅的。例如,已經(jīng)知道的供應(yīng)線性傳感器的公司包括GE NovaSensor(Fremont,CA)、Honeywell(Freeport,IL)、IC Sensors(Milpitas,CA)以及SiliconMicrostructures Inc.(Milpitas,CA)。對(duì)于某些應(yīng)用,線性傳感器也是定制的。本發(fā)明適用于所有的線性系統(tǒng),無論其為何種類型。本發(fā)明還適用于任何使用線性傳感器的機(jī)電單元。
在實(shí)施中,發(fā)明的數(shù)學(xué)模型可用于為特定類型的線性傳感器產(chǎn)生校準(zhǔn)算法。于是,這種校準(zhǔn)算法可用于產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線,該曲線與一個(gè)或一個(gè)以上的、與基于其得出曲線的傳感器具有相同類型的個(gè)體傳感器結(jié)合運(yùn)行。當(dāng)應(yīng)用這種校準(zhǔn)算法時(shí),產(chǎn)生用于組件內(nèi)的個(gè)體傳感器的最終校準(zhǔn)曲線僅僅需要四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入。校準(zhǔn)算法因此可用于容易且高效率地在多種條件下改進(jìn)最終組件中的傳感器在運(yùn)行期間的準(zhǔn)確度。
用于任何給定類型的線性傳感器的校準(zhǔn)算法可基于以下基礎(chǔ)得出發(fā)明的數(shù)學(xué)模型(輸出模型的理論預(yù)測(cè))以及在特定傳感器——為該傳感器使用校準(zhǔn)算法——的正常制造后獲得的在統(tǒng)計(jì)上顯著的數(shù)據(jù)。用于這種過程的數(shù)據(jù)能在傳統(tǒng)的“生產(chǎn)線末端(end-of-line)”傳感器測(cè)試中高效率地獲得,其中,該測(cè)試是在將如此制造或商業(yè)獲得的傳感器組裝到機(jī)電單元等最終組件之前的。通過以這種方式獲取數(shù)據(jù),含有校準(zhǔn)算法的最終機(jī)電單元的用戶不需要為保證準(zhǔn)確的運(yùn)行傳感器輸出進(jìn)行成本巨大且耗時(shí)的校準(zhǔn)步驟。
在最終組裝以及一經(jīng)根據(jù)本發(fā)明校準(zhǔn)之后,通常不需要對(duì)傳感器在連續(xù)運(yùn)行期間再次校準(zhǔn)。然而,如果運(yùn)行條件改變,僅僅通過在基于改變的運(yùn)行條件判定僅僅四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)后再次執(zhí)行校準(zhǔn)算法,可容易地重新校準(zhǔn)傳感器。這種校準(zhǔn)可簡(jiǎn)單且高效率地進(jìn)行,而不需要對(duì)其中集成了傳感器的單元進(jìn)行拆卸。
步驟A首先,對(duì)傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以便產(chǎn)生代表實(shí)際測(cè)量得到的傳感器輸出的、統(tǒng)計(jì)上顯著的數(shù)據(jù)。為進(jìn)行這種分析,選擇統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的傳感器。該數(shù)量取決于所希望的可靠性與置信水平。通常,大約30到大約300個(gè)傳感器是為大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用提供相對(duì)較高的可靠性與置信水平所需要的。
在一個(gè)實(shí)施例中,為了獲得被制造的傳感器的準(zhǔn)確采樣,通過從一個(gè)以上的制造批次和/或從在一個(gè)延伸的時(shí)間段中制造或購買的傳感器中逐個(gè)選擇傳感器,收集統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的傳感器。例如,可在兩周或更多周的傳感器制造中隨機(jī)選取傳感器。作為替代的是,可從不同的制造源購買傳感器。通過以這種方式選擇傳感器,由于制造中的差異造成的影響被減小或被消除。
對(duì)如此選取的傳感器進(jìn)行測(cè)試,以便在任何給定運(yùn)行條件下產(chǎn)生每個(gè)傳感器的運(yùn)行分布。在一個(gè)實(shí)施例中,這種測(cè)試在傳感器制造后正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試中進(jìn)行。
在一個(gè)實(shí)施例中,基于以在恒定運(yùn)行條件(例如溫度與壓力)下充分間隔開的增量的輸入,通過為傳感器產(chǎn)生并記錄輸出數(shù)據(jù),建立各個(gè)運(yùn)行分布?;趶淖钚〉阶畲筝斎?例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩或其他可測(cè)量性狀)的連續(xù)體(continuum)產(chǎn)生測(cè)量得到的輸出(例如電壓)。在一個(gè)實(shí)施例中,以統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的、近似均勻間隔的增量記錄如此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如,可通過在零與最大輸入之間(零與最大輸入包括在內(nèi))以均勻間隔的增量取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)來產(chǎn)生并記錄運(yùn)行分布。
為了計(jì)入環(huán)境變化在傳感器輸出上導(dǎo)致的影響,如上所述、但在一運(yùn)行條件范圍下為個(gè)體傳感器建立運(yùn)行分布。例如,當(dāng)溫度變動(dòng)可能在運(yùn)行期間影響傳感器輸出時(shí),可如上所述、但在運(yùn)行溫度的連續(xù)體上建立多個(gè)運(yùn)行分布??梢匀缦滤龅貫楹髞淼膽?yīng)用中可能影響傳感器輸出的任何有關(guān)環(huán)境條件建立和分析運(yùn)行分布。
在一個(gè)典型實(shí)施例中,在充分間隔的增量的運(yùn)行條件下建立運(yùn)行分布。在該實(shí)施例中,基于任何給定運(yùn)行條件中最小到最大期望波動(dòng)的連續(xù)體產(chǎn)生運(yùn)行分布。沿著運(yùn)行條件中期望波動(dòng)的連續(xù)體,以統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的、近似均勻間隔的增量,記錄如此產(chǎn)生的運(yùn)行分布。例如,當(dāng)計(jì)入傳感器在使用期間面臨的溫度波動(dòng)時(shí),可以以大約10℃的增量在大約-40℃到大約140℃的溫度上產(chǎn)生并記錄運(yùn)行分布。
視情況可選地,為了對(duì)所產(chǎn)生的各個(gè)運(yùn)行分布確定傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系是線性的,可以使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)分析。因此,本發(fā)明的某些方法包括這樣的步驟驗(yàn)證傳感器輸出在任何給定運(yùn)行條件下是傳感器輸入的線性函數(shù)。例如,線性回歸可用于對(duì)來自運(yùn)行分布的、所記錄的傳感器輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以便確定該關(guān)系是線性的。在一個(gè)實(shí)施例中,線性回歸顯示決定系數(shù)(coefficient of determination)(即相關(guān)系數(shù)的平方)大約為100%。如果統(tǒng)計(jì)分析顯示關(guān)系不是線性的,替代的傳感器校準(zhǔn)方法應(yīng)被用于增大這些非線性傳感器在使用中的準(zhǔn)確度。
在一個(gè)典型實(shí)施例中,還確定各個(gè)運(yùn)行分布在零輸入上重合是有用的。為了完成這個(gè)任務(wù),可對(duì)如此產(chǎn)生的運(yùn)行分布進(jìn)行圖形繪制(手工地或電子地,例如,使用已知的繪制技術(shù)),如例如圖3中所示。在圖3中,繪制出三個(gè)運(yùn)行分布(每一個(gè)在不同的溫度T1、T2、T3下取得)。以這種方式繪制運(yùn)行分布允許驗(yàn)證各個(gè)運(yùn)行分布在圖上對(duì)應(yīng)于近似零輸入的一點(diǎn)近似相交,該點(diǎn)在圖3中用“O0”表示。
在一個(gè)典型實(shí)施例中,于是,根據(jù)公知的數(shù)學(xué)方程和/或計(jì)算對(duì)各個(gè)運(yùn)行分布的線性特性進(jìn)行分析。例如,在對(duì)線性關(guān)系進(jìn)行特征化時(shí),最佳擬合方程是有用的。使用最佳擬合方程,代表運(yùn)行分布的各條線的y截距(即零輸入時(shí)測(cè)量得到的輸出)和斜率可被判定以便提供一方程,該方程代表了給定運(yùn)行條件下在傳感器輸入與傳感器輸出之間的關(guān)系。
視情況可選地,為了確定在運(yùn)行條件的連續(xù)體上建立的運(yùn)行分布之間的關(guān)系是線性的,可對(duì)各運(yùn)行分布的計(jì)算得到的斜率與相關(guān)聯(lián)的運(yùn)行條件之間的關(guān)系進(jìn)行分析。例如,沿著溫度變化范圍,對(duì)照對(duì)應(yīng)的運(yùn)行溫度測(cè)繪根據(jù)上述線性特征化判定的各運(yùn)行分布線的斜率。對(duì)于這項(xiàng)工作,可使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)分析。例如,可再度使用線性回歸來確定該關(guān)系是線性的。在一個(gè)實(shí)施例中,線性回歸顯示決定系數(shù)(即相關(guān)系數(shù)的平方)大約為100%。
步驟B上面對(duì)傳感器輸入vs.傳感器輸出的統(tǒng)計(jì)分析在整個(gè)方法中只需要進(jìn)行一次。這種統(tǒng)計(jì)分析盡管相對(duì)比較耗時(shí),可與傳感器制造后正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試結(jié)合進(jìn)行,或在傳感器購買后、組裝到最終產(chǎn)品前的傳感器個(gè)體測(cè)試時(shí)進(jìn)行。將如此測(cè)量和分析得到的、統(tǒng)計(jì)上顯著的數(shù)據(jù)與兩個(gè)不同運(yùn)行條件下基于個(gè)體傳感器的最小限度測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以獲得線性方程,該方程對(duì)這種類型傳感器的預(yù)測(cè)理論輸出進(jìn)行建模。
在對(duì)傳感器的預(yù)測(cè)理論輸出及其輸入之間的關(guān)系進(jìn)行分析時(shí),對(duì)個(gè)體傳感器進(jìn)行測(cè)試,以便產(chǎn)生至少四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。正如上面的統(tǒng)計(jì)分析的情況一樣,在一個(gè)實(shí)施例中,在個(gè)體傳感器制造后的生產(chǎn)線末端測(cè)試中產(chǎn)生該數(shù)據(jù)。作為替代的是,也可以在購買后、將傳感器組裝到最終產(chǎn)品之后或之前對(duì)傳感器進(jìn)行個(gè)體測(cè)試時(shí)產(chǎn)生該數(shù)據(jù)。
對(duì)于這種個(gè)體傳感器測(cè)試,可使用測(cè)試臺(tái)(test stand)。例如,在壓力傳感器的情況下,具有電磁閥的液壓測(cè)試臺(tái)與歧管可用于在兩種不同的已知壓力與室溫下對(duì)個(gè)體傳感器進(jìn)行測(cè)試。傳感器測(cè)試組件于是可被送到提供不同運(yùn)行條件的小室(chamber)中。例如,傳感器測(cè)試組件可被送到保持在這樣的溫度下的隔離小室中在該溫度下,傳感器在同樣的兩種已知壓力下被重新進(jìn)行測(cè)試??墒褂美缁鶞?zhǔn)熱敏電阻確定小室的溫度。
在某些實(shí)施例中,將如此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)用于建立兩個(gè)線性方程,每個(gè)方程表示不同運(yùn)行條件(例如溫度)下傳感器輸入與輸出之間的關(guān)系。盡管用于產(chǎn)生線性方程的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量可以如所希望的一樣多,在這一步驟中只需要四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)于這項(xiàng)工作,優(yōu)選為在對(duì)于運(yùn)行條件的實(shí)質(zhì)最小輸入(例如溫度T1)下,在實(shí)質(zhì)零輸入(例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩或其他性狀)下測(cè)量至少一個(gè)輸出(例如電壓)。接著,對(duì)于同樣的運(yùn)行條件(例如溫度T1),在實(shí)質(zhì)最大輸入(例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩或其他性狀)下測(cè)量同樣的輸出(例如電壓)。接著,將同樣的輸入用于在第二運(yùn)行條件(例如溫度T2)下得到兩個(gè)另外的輸出。實(shí)際上,這個(gè)步驟涉及設(shè)置最小/最大希望運(yùn)行條件(例如測(cè)試溫度),設(shè)置零/最大輸入(例如壓力),并為四個(gè)條件中的每一個(gè)測(cè)量輸出(例如電壓)。
在運(yùn)行溫度變化的情況下,T1和T2可被設(shè)置在任何合適的溫度。例如,可根據(jù)該傳感器的預(yù)期運(yùn)行溫度極值選擇T1和T2,第一個(gè)是最低預(yù)期運(yùn)行溫度,第二個(gè)是最高預(yù)期運(yùn)行溫度。然而,為T1和T2選擇溫度極值不是必需的。T1和T2之間的差僅需要足夠使線性關(guān)系被特征化。在一個(gè)實(shí)施例中,第一溫度與第二溫度相差至少大約40℃。
于是,根據(jù)公知的數(shù)學(xué)方程和/或計(jì)算,由這四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)兩個(gè)線性方程中的每一個(gè)進(jìn)行外推。例如,最佳擬合方程又一次可用于此目的。使用最佳擬合方程,可確定各條線的y截距(即零輸入時(shí)測(cè)量得到的輸出)和斜率,以便提供表示傳感器在給定運(yùn)行條件下的理論輸出的線性方程。
如此產(chǎn)生的這兩個(gè)線性方程可在圖形上表示為圖4所示。如圖4所示,用于產(chǎn)生兩個(gè)線性方程的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被表示為(I11,O11)、(I21,O21)、(I12,O12)與(I22,O22)。
于是,可判定各個(gè)線性方程的斜率。b1的值包括線的斜率,該線在圖形上表示當(dāng)在第一溫度T1下測(cè)量時(shí)傳感器輸出與輸入之間的線性關(guān)系。b2的值包括線的斜率,該線在圖形上表示當(dāng)在第二溫度T2下測(cè)量時(shí)傳感器輸出與輸入之間的線性關(guān)系。參照?qǐng)D4,各條線的斜率如下計(jì)算b1=(I11-I21)/(O11-O21),b2=(I12-I22)/(O12-O22)。由這兩個(gè)斜率,根據(jù)下面的方程b=b1+[(b1-b2)/(T1-T2)](T-T1),可作為運(yùn)行溫度T的函數(shù)計(jì)算斜率b。
兩個(gè)線性方程中的每一個(gè)可具有同樣的y截距(即零輸入時(shí)測(cè)量得到的輸出),其在圖4中被表示為O0。O0是根據(jù)下面的方程計(jì)算的O0=(O01+O02)/2,其中,O01=O11-I11/b1,O02=O12-I12/b2。由實(shí)際觀察,O0可能是生產(chǎn)線末端測(cè)試點(diǎn)中的一個(gè),可能不需要計(jì)算。
步驟C由步驟B中的計(jì)算與數(shù)學(xué)方程,推斷出輸出模型的下述理論預(yù)測(cè)O=O0+I/b。在這一階段,優(yōu)選為將輸出模型的理論預(yù)測(cè)與在步驟A中測(cè)量得到的、統(tǒng)計(jì)上顯著的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這種比較使得輸出模型理論預(yù)測(cè)的總體準(zhǔn)確度能被評(píng)估。如同統(tǒng)計(jì)上顯著的測(cè)量數(shù)據(jù)的獲得一樣,這種比較僅需要在每個(gè)運(yùn)行條件下獲得一次,并能在傳感器制造后正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試中容易地獲得,或在購買后、組裝到最終產(chǎn)品之前或之后的傳感器個(gè)體測(cè)試中容易地獲得。
為了在給定運(yùn)行條件下將測(cè)量得到的輸出數(shù)據(jù)與輸出模型的理論預(yù)測(cè)進(jìn)行比較,可使用任何合適的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)分析。例如,為了評(píng)定理論輸出是否表示實(shí)際測(cè)量(以及統(tǒng)計(jì)上顯著的)輸出數(shù)據(jù)的正態(tài)分布,可對(duì)照一個(gè)運(yùn)行條件下實(shí)際測(cè)量得到的輸出數(shù)據(jù)在圖形上繪制表示該運(yùn)行條件的輸出模型理論預(yù)測(cè)的線性方程。可為對(duì)之可獲得統(tǒng)計(jì)上顯著的測(cè)量輸出數(shù)據(jù)的各個(gè)運(yùn)行條件進(jìn)行這種比較。通過在統(tǒng)計(jì)上解釋實(shí)際測(cè)量得到的輸出數(shù)據(jù)與輸出模型理論預(yù)測(cè)之間的最壞偏差,判定輸出模型理論預(yù)測(cè)的總體準(zhǔn)確度。
傳感器測(cè)量的總體準(zhǔn)確度依賴于傳感器將被用于的應(yīng)用以及使用傳感器的人或終端用戶的偏好。例如,對(duì)于使用壓力傳感器的某些工業(yè)應(yīng)用,通常需要±0.014MPa(±2psi)或以下的公差。
如果在這個(gè)階段發(fā)現(xiàn)公差是不可接受的,可使用制造品質(zhì)控制方法或市場(chǎng)可購買的線性傳感器的替代供應(yīng)來改善公差。然而,如果發(fā)現(xiàn)公差是可接受的,可在機(jī)電單元——這種類型的傳感器將被用于該機(jī)電單元——的制造和最終組裝中將輸出模型理論預(yù)測(cè)合并到機(jī)電單元的電子部件之中。
步驟D一旦為特定類型的傳感器建立并被確認(rèn)為具有可接受的公差水平,輸出模型的理論預(yù)測(cè)可被容易地作為校準(zhǔn)算法存儲(chǔ)在較大的機(jī)電單元的電子部件中。在被如此存儲(chǔ)的情況下,輸出模型的理論預(yù)測(cè)可在提供同一類型的任何傳感器——制造后該傳感器被有效集成在該機(jī)電單元之中——的校準(zhǔn)曲線時(shí)有用。在一個(gè)實(shí)施例中,校準(zhǔn)算法被存儲(chǔ)在機(jī)電單元的中央電子部件中,在該機(jī)電單元中使用了該傳感器或多個(gè)該傳感器。出于上面討論的原因,優(yōu)選為為單元中的每個(gè)個(gè)體傳感器提供單獨(dú)的電子部件(例如ASIC)。
除了校準(zhǔn)算法以外,個(gè)體傳感器的特征化數(shù)據(jù)也可被存儲(chǔ)在最終機(jī)電組件的同一電子部件中。對(duì)于個(gè)體傳感器需求的個(gè)體傳感器特征化數(shù)據(jù)僅包括四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。與使用校準(zhǔn)算法的先前的方法相比,對(duì)每一個(gè)體傳感器不多于四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的需求大大簡(jiǎn)化了傳感器校準(zhǔn)過程并提高了效率。
在一個(gè)典型實(shí)施例中,在機(jī)電單元正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試中以及最終組裝后獲得各個(gè)傳感器的個(gè)體傳感器特征化數(shù)據(jù)。通過這種方式,有利地減小了最終組裝的差異引起的不準(zhǔn)確度。
在這一典型實(shí)施例中,機(jī)電單元被送到受控的溫度小室中??墒褂美缁鶞?zhǔn)熱敏電阻確定小室的溫度。在這種特征化期間,在對(duì)于運(yùn)行條件的實(shí)質(zhì)最小輸入(例如溫度,T1)下,在實(shí)質(zhì)零輸入(例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩等等)下測(cè)量至少一個(gè)輸出(例如電壓)。于是,對(duì)于同樣的運(yùn)行條件(例如溫度,T1),在實(shí)質(zhì)最大輸入(例如壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩或其他性狀)與最小輸入下測(cè)量同樣的輸出(例如電壓)。于是,將這些同樣的輸入用來在第二運(yùn)行條件(例如溫度T2)下獲得兩個(gè)附加輸出。實(shí)際上,這一步驟涉及設(shè)置最小/最大希望運(yùn)行條件(例如測(cè)試溫度)、設(shè)置零/最大輸入(例如壓力)、為四個(gè)條件中的每一個(gè)測(cè)量輸出(例如電壓)。
在運(yùn)行溫度變化的情況下,T1與T2可被設(shè)置在任何合適的溫度。例如,T1與T2可根據(jù)機(jī)電單元的預(yù)期運(yùn)行溫度極值進(jìn)行設(shè)置,一個(gè)被設(shè)置在最低預(yù)期運(yùn)行溫度,第二個(gè)被設(shè)置在最高預(yù)期運(yùn)行溫度。然而,為T1與T2選擇溫度極值不是必需的。在一個(gè)典型實(shí)施例中,第一溫度與第二溫度相差至少大約40℃。然而,T1與T2之間的差僅需要足夠使得基于校準(zhǔn)算法中的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入計(jì)算出校準(zhǔn)曲線。
于是,以與上文參照步驟B介紹的相同的方式,將采取圖4中示為(I11,O11)、(I21,O21)、(I12,O12)與(I22,O22)形式的四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入校準(zhǔn)算法。這四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)被輸入到校準(zhǔn)算法中,以便為機(jī)電單元中的各個(gè)傳感器產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線。在一個(gè)實(shí)施例中,根據(jù)下面的數(shù)學(xué)模型輸入數(shù)據(jù)b1=(I11-I21)/(O11-O21),b2=(I12-I22)/(O12-O22),O0=(O01+O02)/2,其中,O01=O11-I11/b1,O02=O12-I12/b2。通過計(jì)入運(yùn)行條件(例如溫度)的變化,校準(zhǔn)曲線在寬的運(yùn)行條件范圍上使得個(gè)體傳感器在運(yùn)行期間連續(xù)且準(zhǔn)確的測(cè)量成為可能。
在一個(gè)實(shí)施例中,在傳感器制造后獲得的個(gè)體傳感器特征化數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)算法被電子地存儲(chǔ)在使用一個(gè)或一個(gè)以上該傳感器的機(jī)電單元中。存儲(chǔ)可在機(jī)電單元最終組裝中的生產(chǎn)線末端品質(zhì)控制測(cè)試中高效率地進(jìn)行。例如,在一個(gè)實(shí)施例中,校準(zhǔn)算法和個(gè)體傳感器特征化數(shù)據(jù)能以二進(jìn)制形式被燒錄到電子部件的非易失性存儲(chǔ)器中。
當(dāng)機(jī)電單元中包括一個(gè)以上的類型的傳感器時(shí)(例如,測(cè)量壓力、應(yīng)變、溫度、轉(zhuǎn)矩或其他性狀的傳感器),各種類型的傳感器可使用為該特定類型傳感器建立的校準(zhǔn)算法進(jìn)行校準(zhǔn)。因此,最終的機(jī)電單元可包括一個(gè)以上的校準(zhǔn)算法。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn),包含螺線管操作壓力控制閥的單元適用于例如控制機(jī)動(dòng)車用自動(dòng)變速器中液壓流體的流動(dòng)。在這種類型的自動(dòng)變速器中,變速器速度比的換檔由電子控制器進(jìn)行控制,該電子控制器向螺線管操作的閥提供電信號(hào),螺線管操作的閥又向壓力響應(yīng)的致動(dòng)器提供流體壓力信號(hào),以便產(chǎn)生所希望的變速器速度比變化。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,對(duì)實(shí)際壓力輸出進(jìn)行測(cè)量并將之替續(xù)回到電子控制器,以便協(xié)助進(jìn)行任何可能需要的壓力調(diào)節(jié)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中,傳感器可被放置在例如這種閥的入口,以便將入口壓力替續(xù)到例如機(jī)動(dòng)車內(nèi)部的儀表板顯示器。本發(fā)明適用于線性傳感器的校準(zhǔn),無論其用于什么類型的應(yīng)用或系統(tǒng)。
盡管本發(fā)明的數(shù)學(xué)模型和校準(zhǔn)技術(shù)獨(dú)自提供了運(yùn)行期間的改進(jìn)的和連續(xù)的校準(zhǔn)準(zhǔn)確度,該技術(shù)可與其他校準(zhǔn)方法——例如上面所介紹的——結(jié)合使用。進(jìn)一步而言,將會(huì)明了,機(jī)電單元在運(yùn)行期間的總體準(zhǔn)確度還依賴于單元內(nèi)其他部件的可接受的公差,其由單元的制造者決定。
對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下,對(duì)本發(fā)明的多種修改和替代是顯而易見的,本發(fā)明由所附權(quán)利要求書限定。應(yīng)當(dāng)注意,下面任何方法權(quán)利要求中所述的步驟不必以所述的順序執(zhí)行。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到執(zhí)行這些步驟時(shí)與所述順序之間的變化。
權(quán)利要求
1.一種基于輸出模型的理論預(yù)測(cè)對(duì)線性傳感器輸出的準(zhǔn)確度進(jìn)行分析的方法,該方法包括在第一運(yùn)行條件T1下,對(duì)統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器進(jìn)行分析,以便獲得各個(gè)傳感器的第一運(yùn)行分布;在第二運(yùn)行條件T2下,對(duì)所述統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器進(jìn)行分析,以便獲得各個(gè)傳感器的第二運(yùn)行分布;使用輸出-輸入線的倒數(shù)斜率,視情況可選地確定所獲得的各個(gè)運(yùn)行分布代表傳感器輸入與傳感器輸出之間的線性關(guān)系;使用各運(yùn)行分布的倒數(shù)斜率,視情況可選地確定在運(yùn)行條件的連續(xù)體上建立的運(yùn)行分布代表線性關(guān)系;逐個(gè)地測(cè)試線性傳感器以獲得至少四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),其中,所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于在所述第一與第二運(yùn)行條件的每一個(gè)下基于第一與第二輸入獲得的測(cè)試數(shù)據(jù),并被如下表示(I11,O11)、(I21,O21)、(I12,O12)與(I22,O22);由所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)建立所述輸出模型的理論預(yù)測(cè),其中,根據(jù)下面的數(shù)學(xué)方程建立用于確定在給定運(yùn)行條件T下并基于給定輸入I的輸出的所述輸出模型理論預(yù)測(cè)輸出=O0+I/b,其中,b=b1+[(b1-b2)/(T1-T2)](T-T1),其中,b1=(I11-I21)/(O11-O21),b2=(I12-I22)/(O12-O22);且O0=(O01+O02)/2,其中,O01=O11-I11/b1,O02=O12-I12/b2;比較對(duì)應(yīng)于所述給定輸入的、對(duì)于所述第一運(yùn)行條件的所述第一運(yùn)行分布中的傳感器輸出與對(duì)于所述第一運(yùn)行條件的所述輸出模型理論預(yù)測(cè)之間的關(guān)系的準(zhǔn)確度;以及比較對(duì)應(yīng)于所述給定輸入的、對(duì)于所述第二運(yùn)行條件的所述第二運(yùn)行分布中的傳感器輸出與對(duì)于所述第二運(yùn)行條件的所述輸出模型理論預(yù)測(cè)之間的關(guān)系的準(zhǔn)確度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其還包括這樣的步驟通過在統(tǒng)計(jì)上解釋所述輸出模型理論預(yù)測(cè)與對(duì)于對(duì)應(yīng)運(yùn)行條件的所述運(yùn)行分布之間的最壞偏差,確定所述輸出模型理論預(yù)測(cè)的總體準(zhǔn)確度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,所述統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器包括大約30到大約300個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,所述統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器從一個(gè)以上的制造批次中逐個(gè)選出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,在傳感器制造后的正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試期間,對(duì)所述統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器進(jìn)行分析。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,在傳感器制造后的正常的生產(chǎn)線末端測(cè)試期間,對(duì)被選的個(gè)體線性傳感器進(jìn)行測(cè)試,以便獲得所述至少四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,所述第一與第二運(yùn)行條件僅在溫度上實(shí)質(zhì)變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,所述第一與第二運(yùn)行條件為差別至少40℃的溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中,使用最佳擬合方程對(duì)各運(yùn)行分布中傳感器輸入與傳感器輸出之間的關(guān)系進(jìn)行特征化。
10.一種校準(zhǔn)算法,其能夠在四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入下為線性傳感器產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線,其中,所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與在第一與第二運(yùn)行條件的每一個(gè)下基于第一與第二傳感器輸入從所述線性傳感器獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng),所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)各自被如下表示(I11,O11)、(I21,O21)、(I12,O12)與(I22,O22);且其中,所述校準(zhǔn)算法能夠基于給定輸入I確定線性傳感器在給定運(yùn)行條件T下的輸出,且其中,所述算法符合下面的數(shù)學(xué)方程輸出=O0+I/b,其中,b=b1+[(b1-b2)/(T1-T2)](T-T1),其中,b1=(I11-I21)/(O11-O21),b2=(I12-I22)/(O12-O22);且O0=(O01+O02)/2,其中,O01=O11-I11/b1,O02=O12-I12/b2。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的校準(zhǔn)算法,其中,所述校準(zhǔn)算法被電子地存儲(chǔ)在機(jī)電單元內(nèi)。
12.一種為線性傳感器產(chǎn)生校準(zhǔn)曲線的方法,該方法包括配備根據(jù)權(quán)利要求10的校準(zhǔn)算法;對(duì)個(gè)體傳感器進(jìn)行測(cè)試以產(chǎn)生四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),其中,所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與在第一與第二運(yùn)行條件的每一個(gè)下基于第一與第二輸入獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng);以及將所述四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入所述校準(zhǔn)算法,以便為所述線性傳感器產(chǎn)生所述校準(zhǔn)曲線。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法,其中,在最終組裝到機(jī)電單元中之后,對(duì)所述個(gè)體傳感器進(jìn)行測(cè)試。
14.一種機(jī)電單元,該單元包括至少一個(gè)線性傳感器;以及被有效地耦合于其中的至少一個(gè)電子部件,該部件包括根據(jù)權(quán)利要求10的校準(zhǔn)算法,以便對(duì)所述至少一個(gè)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)電單元,其中,所述機(jī)電單元包括電動(dòng)液壓部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)電單元,其中,所述機(jī)電單元包括至少一個(gè)螺線管操作壓力控制閥。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)電單元,其中,所述機(jī)電單元運(yùn)行以便控制機(jī)動(dòng)車的自動(dòng)變速器中的液壓流體的流動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)電單元,其中,所述線性傳感器包括由選自壓力、應(yīng)變、溫度與轉(zhuǎn)矩的輸入得到的電壓輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的機(jī)電單元,其中,所述傳感器包括壓力傳感器。
20.一種用于機(jī)動(dòng)車的自動(dòng)變速器,其包括根據(jù)權(quán)利要求的機(jī)電單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于輸出模型的理論預(yù)測(cè)對(duì)線性傳感器輸出的準(zhǔn)確度進(jìn)行分析的方法。該方法包括以下步驟對(duì)統(tǒng)計(jì)上顯著數(shù)量的線性傳感器進(jìn)行分析,以便獲得在兩個(gè)或兩個(gè)以上的運(yùn)行條件下的運(yùn)行分布;逐個(gè)對(duì)線性傳感器進(jìn)行測(cè)試,以便獲得至少四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn);由這四個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),為每一運(yùn)行條件建立輸出模型的理論預(yù)測(cè);對(duì)于相同的運(yùn)行條件,比較運(yùn)行分布中對(duì)應(yīng)于給定輸入的傳感器輸出與輸出模型的理論預(yù)測(cè)之間的關(guān)系的準(zhǔn)確度。還公開了與此相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)算法、機(jī)電單元以及進(jìn)一步的組件。
文檔編號(hào)G06F3/05GK101048642SQ200580037152
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月3日
發(fā)明者Y·張, D·E·赫伯特 申請(qǐng)人:伊頓公司