一种MENS电容式气压传感器测试标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种MENS电容式气压传感器测试标定装置及方法，其中装置包括：压力容器、数字压力表、第一电动调节阀、空气泵、第二电动调节阀、导气管、固定插槽、支撑平台、计算机以及信号采集处理系统。用以根据所述数字压力表所采集的气压值调节所述空气泵、第一电动调节阀及第二电动调节阀，以调节所述压力容器内的气压，由被测试样检测压力容器内的气压输出传感器数据；上位机，用以获取转换的电压信号及电容信号，并采用反函数的传感器标定方法对所述MEMS电容气压传感器进行标定。上述装置结构简单可靠，成本低，可操作性强，整体的测试过程实现半自动化，提高了测试效率和测试精度，同时，标定原理极其简单，计算十分便捷。

A test calibration device and method for MENS capacitive pressure sensor

The invention relates to a device and a method for calibrating MENS capacitive pressure sensor test, the apparatus comprises: a pressure vessel, digital pressure gauge, the first electric control valve, air pump, electric control valve, second guide tube and a fixed slot, supporting platform, the computer and the signal acquisition and processing system. According to the pressure of digital pressure meter to adjust the value of the air pump, the first electric control valve and two electric regulating valve to adjust the air pressure inside the container, the pressure sensor output data of test samples are detected inside the pressure vessel; PC, used to obtain the voltage signal and conversion the capacitance signal, and using the inverse function of the sensor calibration method for the MEMS capacitive pressure sensor. The device has the advantages of simple and reliable structure, low cost and strong operability. The whole test process is semi-automatic, which improves the efficiency and accuracy of the test. At the same time, the calibration principle is very simple, and the computation is very convenient.

【技术实现步骤摘要】
一种MENS电容式气压传感器测试标定装置及方法
本专利技术涉及仪表测量
，特别是涉及一种电容式气压传感器测试标定装置及方法。
技术介绍
随着微电子和微机械加工技术的日益完善，IC制造技术引入到精密机械制造，出现了微机械、微型传感器、微型执行器等微机械制造技术。其中微型机械与其控制处理电路集成在一起，组成微机电系统—MEMS((MicroelectroMechanicalSystems)。该系统中有关微机械电容式气压传感器，具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成和智能化等特点，特别是它的微米量级特征尺寸使这种微机械电容式气压传感器获得了越来越多的应用。由于MEMS电容式气压传感器电极的极板面积非常小，其电容量一般只有几个皮法(pF)，对于敏感被测信号其变化量就更小，MEMS气压传感器电容的变化可能小至飞法(fF)级，这就对MEMS电容式气压传感器测量标定装置提出了非常高的要求。传感器标定是设计、制造和使用传感器的一个重要环节，任何传感器制造、装配完毕，都必须对设计指标进行标定试验，以保证量值的准确性。当前，MEMS气压传感器测试系统结构复杂，测试技术繁琐，微观测试仪器价格昂贵，成本高。在测试系统中，一般采用传感器对被测信号进行拾取和转换。目前常用的一些标定方法中：硬件补偿法难以作到全程有效补偿，且存在补偿电路硬件漂移等问题。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述现有技术中的MEMS电容式气压传感器测试标定装置的标定结果不理想、结构复杂的问题，提供一种能够实现标定结果理想、结构简单的MEMS电容式气压传感器测试标定装置及方法。本专利技术的技术方案为：一种MEMS电容式气压传感器测试标定装置，包括压力容器、上位机、信号采集处理系统；连接于所述压力容器上端的数字压力表及第一电动调节阀；连接于所述压力容器的空气泵；连接于所述空气泵及压力容器之间的第二电动调节阀；所述的压力容器、数字压力表、第一电动调节阀及第二电动调节阀通过导气管进行连接；所述压力容器的底部放置MEMS电容式气压传感器，用以采集所述压力容器内的气压信号；并将MEMS电容式气压传感器放置在压力容器内的固定插槽里；固定插槽上有接线柱，能够与外部信号采集处理系统进行信号传递；位于所述压力容器底部的支撑平台，用以支撑所述压力容器、数字压力表和第一电动调节阀；所述上位机通过数据信号线与信号采集处理系统相连，信号采集处理系统分别用于采集控制MEMS电容式气压传感器的气压数据、空气泵的电流数据、第一电动调节阀的开度、第二电动调节阀的开度、数字压力表的气压数据，传递给上位机由上位机进行转换处理。进一步，由空气泵、数字压力表、第一电动调节阀、第二电动调节阀与信号采样处理系统为压力容器提供不同的气压环境，经MEMS电容式气压传感器进行检测，并将传感器数据传递给信号采集处理系统，由信号采集处理系统初步处理，将初步处理数据传送给电性连接于信号采集处理系统的上位机，采用反函数的传感器标定方法对所述MEMS电容气压传感器进行标定。进一步，信号采集处理系统包括精密电源、单片机控制芯片、AD转换芯片及其外围电路，用以根据所述数字压力表所检测的气压值，调节所述空气泵、第一电动调节阀及第二电动调节阀，以调节所述压力容器内的气压的大小。进一步，所述单片机控制芯片为STM32F103RCT6单机控制芯片；所述AD转换芯片为PCAP01-AD芯片；所述单片机控制芯片与AD转换芯片通过SPI串行接口通信。本专利技术的方法的技术方案包括以下步骤：步骤1，建立MEMS电容式气压传感器输入-输出之间一个函数关系，满足一一对应关系，设x为自变量，y、z为因变量，明确自变量x，因变量y、z对应的物理参数，其中x表示气压输入，y、z分别表示电容输出和电压输出；步骤2，利用方程F(x,y)＝0、F(x,z)＝0分别建立x与y、z之间的函数关系，设f(y)＝cx、f(z)＝ux；步骤3，根据函数逼近论知，任何一个初等函数均可以用一个适当的k次多项式去充分逼近它，利用上位机根据误差限确定次数k，同时，根据切比雪夫最佳一致逼近法的基本思想来设定MEMS电容式气压传感器的输出电容y、电压z的标定曲线的多项式；步骤4，根据最小二乘法原理，列写表达式f(yi)、f(zi)的关于偏差ε的拟合曲线公式：其中ε1、ε2分别表示检测电容偏差和检测电容偏差，xi、f(yi)、f(zi)分别表示第i次检测的输入气压、输出电压和输出电容；步骤5，按照实验设定要求误差ε取得极小值，对偏差ε拟合公式中关于的所有待定系数求解一阶偏导数，得到由f(yi)、f(zi)的所有待定系数组成的方程组，并令其值全部为零，求解f(yi)、f(zi)的所有待定系数；步骤6，由上述得到的关于f(yi)、f(zi)的所有待定系数来确定由的确定表达式；步骤7，基于反函数来修正求解表达式f(y)＝cx、f(z)＝ux；步骤8，上位机利用标定曲线实现对MEMS电容式气压传感器输出信号数据的转换和标定。进一步，所述步骤3的具体实现过程为：步骤3.1，选定函数g(x)，使它是已知函数f(x)在一定意义下的近似表示，并求出用g(x)近似表示f(x)而产生的误差；由函数逼近论知，任何一个初等函数均可以用一个适当的k次多项式去充分逼近它；步骤3.2，根据切比雪夫提出的以判断多项式为最佳逼近元的特征定理:已知[a,b]区间上的连续函数f(x)，假，(n≥0)，叫做f(x)的n阶最佳一致逼近值，简称为最佳逼近值，简记为En(f)；能使极小值实现的多项叫做f(x)的n阶最佳逼近多项式；根据切比雪夫最佳一致逼近法的基本思想来设定MEMS电容式气压传感器的输出函数y、z的多项式；步骤3.3，根据切比雪夫提出的最佳逼近理论，可设MEMS电容式气压传感器的输出电容y、电压z的标定曲线的多项式为其中，xk为第k次检测的气压,ck、uk分别代表k次检测后电容、电压标定系数，f(yn)、f(zn)分别代表第n次检测的电容值、电压值；步骤3.4，由上面设定的电容输出f(yn)、f(zn)电压输出的两个标准的多项式，其次数k可根据实验时实际情况的需要人为或者上位机根据误差限等确定，但必须满足k≤n+1。进一步，所述步骤6的具体实现过程为：步骤6.1，明确自变量x，因变量y、z对应的物理参数，即x表示气压输入，y、z分别代表电容输出、电压输出；步骤6.2，根据切比雪夫定理知，任何一个初等函数均可以用一个适当的k次多项式去充分逼近它，利用上位机结合测得的数据人为设定误差限确定拟合多项式的次数k；步骤6.3，根据最小二乘法原理，列写表达式f(yi)、f(zi)的关于偏差ε的拟合曲线公式：其中ε1、ε2分别表示检测电容偏差和检测电容偏差，xi、f(yi)、f(zi)分别表示第i次检测的输入气压、输出电压和输出电容；步骤6.4，按照实验设定要求误差ε取得极小值，对偏差ε拟合公式中关于的所有待定系数求解一阶偏导数，得到由f(yi)、f(zi)的所有待定系数组成的方程组，并令其值全部为零，求解f(yi)、f(zi)的所有待定系数；步骤6.5，由上述得到的关于f(yi)、f(zi)的所有待定系数来确定的表达式。进一步，还包括整个测试过程中参数的标定：步骤8.1，单片机控制芯片进行系统初始化以及测试标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MEMS电容式气压传感器测试标定装置，其特征在于，包括压力容器(110)、上位机(170)、信号采集处理系统；连接于所述压力容器(110)上端的数字压力表(120)及第一电动调节阀(131)；连接于所述压力容器(110)的空气泵(140)；连接于所述空气泵(140)及压力容器(110)之间的第二电动调节阀(132)；所述的压力容器(110)、数字压力表(120)、第一电动调节阀(131)及第二电动调节阀(132)通过导气管(100)进行连接；所述压力容器(110)的底部放置MEMS电容式气压传感器(150)，用以采集所述压力容器(110)内的气压信号；并将MEMS电容式气压传感器(150)放置在压力容器(110)内的固定插槽(190)里；固定插槽(190)上有接线柱，能够与外部信号采集处理系统进行信号传递；位于所述压力容器(110)底部的支撑平台(180)，用以支撑所述压力容器(110)、数字压力表(120)和第一电动调节阀(131)；所述上位机(170)通过数据信号线(160)与信号采集处理系统相连，信号采集处理系统分别用于采集控制MEMS电容式气压传感器(150)的气压数据、空气泵(140)的电流数据、第一电动调节阀(131)的开度、第二电动调节阀(132)的开度、数字压力表(120)的气压数据，传递给上位机(170)由上位机进行转换处理。...

【技术特征摘要】
1.一种MEMS电容式气压传感器测试标定装置，其特征在于，包括压力容器(110)、上位机(170)、信号采集处理系统；连接于所述压力容器(110)上端的数字压力表(120)及第一电动调节阀(131)；连接于所述压力容器(110)的空气泵(140)；连接于所述空气泵(140)及压力容器(110)之间的第二电动调节阀(132)；所述的压力容器(110)、数字压力表(120)、第一电动调节阀(131)及第二电动调节阀(132)通过导气管(100)进行连接；所述压力容器(110)的底部放置MEMS电容式气压传感器(150)，用以采集所述压力容器(110)内的气压信号；并将MEMS电容式气压传感器(150)放置在压力容器(110)内的固定插槽(190)里；固定插槽(190)上有接线柱，能够与外部信号采集处理系统进行信号传递；位于所述压力容器(110)底部的支撑平台(180)，用以支撑所述压力容器(110)、数字压力表(120)和第一电动调节阀(131)；所述上位机(170)通过数据信号线(160)与信号采集处理系统相连，信号采集处理系统分别用于采集控制MEMS电容式气压传感器(150)的气压数据、空气泵(140)的电流数据、第一电动调节阀(131)的开度、第二电动调节阀(132)的开度、数字压力表(120)的气压数据，传递给上位机(170)由上位机进行转换处理。2.根据权利要求1所述的MEMS电容式气压传感器测试标定装置，其特征在于，还包括：由空气泵(140)、数字压力表(120)、第一电动调节阀(131)、第二电动调节阀(132)与信号采样处理系统为压力容器(110)提供不同的气压环境，经MEMS电容式气压传感器(150)进行检测，并将传感器数据传递给信号采集处理系统，由信号采集处理系统初步处理，将初步处理数据传送给电性连接于信号采集处理系统的上位机，采用反函数的传感器标定方法对所述MEMS电容气压传感器(150)进行标定。3.根据权利要求1所述的MEMS电容式气压传感器测试标定装置，其特征在于，信号采集处理系统包括精密电源、单片机控制芯片、AD转换芯片及其外围电路，用以根据所述数字压力表(120)所检测的气压值，调节所述空气泵(140)、第一电动调节阀(131)及第二电动调节阀(132)，以调节所述压力容器(110)内的气压的大小。4.根据权利要求1所述的MEMS电容式气压传感器测试标定装置，其特征在于，所述单片机控制芯片为STM32F103RCT6单机控制芯片；所述AD转换芯片为PCAP01-AD芯片；所述单片机控制芯片与AD转换芯片通过SPI串行接口通信。5.根据权利要求1-4任一项所述的MEMS电容式气压传感器测试标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立MEMS电容式气压传感器输入-输出之间一个函数关系，满足一一对应关系，设x为自变量，y、z为因变量，明确自变量x，因变量y、z对应的物理参数，其中x表示气压输入，y、z分别表示电容输出和电压输出；步骤2，利用方程F(x,y)＝0、F(x,z)＝0分别建立x与y、z之间的函数关系，设f(y)＝cx、f(z)＝ux；步骤3，根据函数逼近论知，任何一个初等函数均可以用一个适当的k次多项式去充分逼近它，利用上位机根据误差限确定次数k，同时，根据切比雪夫最佳一致逼近法的基本思想来设定MEMS电容式气压传感器的输出电容y、电压z的标定曲线的多项式；步骤4，根据最小二乘法原理，列写表达式f(yi)、f(zi)的关于偏差ε的拟合曲线公式：其中ε1、ε2分别表示检测电容偏差和检测电容偏差，xi、f(yi)、f(zi)分别表示第i次检测的输入气压、输出电压和输出电容；步骤5，按照实验设定要求误差ε取得极小值，对偏差ε拟合公式中关于的所有待定系数求解一阶偏导数，得到由f(yi)、f(zi)的所有待定系数组成的方程组，并令其值全部为零，求解f(yi)、f(zi)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杰，郝秀春，李伯全，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32