专利名称：脉冲型压力传感器电路及其使用方法
技术领域：
本发明涉及压力传感电路，具体涉及测量低压力用的压力传感电路。
一种普通的半导体压力传感器，例如莫托罗拉公司制造的MPX2010传感器，使用电阻电桥产生出一个差分电压。压力传感器上加有一个直流偏置电压，该电压的大小决定了压力传感器的灵敏度和量程范围。该压力传感器上的一个端口露出一个膜片(diaphragm)，当其上施加一个压力时，其可改变电阻电桥中的电阻值。该压力传感器输出一个与端口上的压力成比例的差分电压。
由于在较低的压力下压力传感器的差分电压输出值减小，所以要准确地测量低压力会是一个问题。此外，还有这样的问题，亦即，小的压力差只在压力传感器输出端形成细微的压力增量变动，它可能极难以甚至不可能进行辨别。现有一些压力传感电路，它们试图克服这些问题，但得出了混杂的结果。
通常采用的一种方法是将差分电压输出放大到一个易于测量或处理的电平上。为此，对施加低压力的情况必须使用高增益的放大级(增益大于500)。然而，高增益电路结构中使用的放大器会有稳定性问题或非线性特性，这将影响精确度。小的信号电平会造成差的信噪比。
能得到较好结果的第二种方法是对压力传感器施加一个较高的直流偏置电压。较高的偏置电压可在给定的压力下增大差分电压输出，因而压力增量的变化亦将由压力传感器引起较大的电压变化。于是，可应用增益低些的放大级以得到较高的信噪比和较为稳定的系统。但这种方法的缺点是压力传感器上的偏置电压只能增加到一定程度，在较高的偏置电压下还须考虑功耗和其它的可靠性/精确度因素。
因此，如果能开发出一种压力传感电路及其使用方法，将是有所裨益的，这可进一步增加灵敏度以允许甚低的压力的精确测量。
简要地说，本发明包括用以测量压力的电路和方法。由一个脉冲发生电路输出一个电压脉冲以偏置压力传感器。该压力传感器具有一个端口，曝露在待测量的压力之中。压力传感器一旦被偏置就输出一个电压，该电压与压力传感器端口上的压力成比例。再由一个放大器对压力传感器的输出进行放大。
本发明的测量压力方法包括将压力传感器的端口曝露在待测量的压力之中，由一个电压脉冲对压力传感器偏置，并测量压力传感器输出端上的电压。压力传感器输出端上的电压与该端口上的压力成比例。
唯一的一张图示出本发明的脉冲型压力传感电路的优选实施例的方框图。
该图中所示的脉冲型压力传感器电路11其电路简单、成本低，而测量低压力的灵敏度高。压力传感市场上的大部分端口是测量10000Pa以下压力的压力传感器电路。任一个压力传感器电路的主要部件是压力传感器，例如是前述的MPX2010。该压力传感器接收到要被感测的压力，输出一个与那压力成比例的电压。半导体压力传感器是一种很经济的压力传感器，但并不典型地应用于测量低压力中。硅膜片虽然成本低，刚性好，但在低压力(小于10000Pa)下不容易弯曲，因而在低压力传感器电路市场中其应用并未被充分开发。在优选实施例中，脉冲型压力传感器电路11采用了一个半导体压力传感器，它在低于10000Pa的压力下产生出一个可用的输出电压。脉冲型压力传感器电路11并不局限于低压力的测量，它也能应用于测量10000Pa以上的压力。
脉冲发生电路12具有一个控制输入端14和一个输出端13，它输出一个预定幅度和持续期的高电压脉冲。控制输入端14用来使脉冲发生电路12输出一个电压脉冲。脉冲发生电路12可以设计成具有可编程性能，以对于不同的应用场合变更电压脉冲的幅度和持续期。但是，在本实施例中，成本是优先考虑的事，因而在脉冲发生电路12响应一个施加在输入端14的启动(enabling)信号时，输出一个固定幅值和持续期的电压脉冲。
压力传感器17由围绕传感器17的虚线示明，它具有一个第一偏置输入端18、第二偏置输入端19、第一输出端21、第二输出端22，以及一个通常熟知的曝露在等测压力中的端口。在优选实施例中，压力传感器17是一个半导体压力传感器，由电阻R1-R6组成。在本技术领域内的技术人员可理解到，电阻R1和R2是温度补偿电阻，电阻R3、R4、R5和R6组成一个电阻电桥。端口(图中未示出)由箭头15指明，一个膜片曝露在压力中。膜片上的压力改变电阻电桥的阻值。
第一输入端18与脉冲发生电路12的输出端13相连接。第二输出端19通常接地。由脉冲发生电路12产生的电压脉冲偏置压力传感器17。当电阻电桥中R3＝R4及R5＝R6时，输出端21和22上的电压相等。端口上的压力改变电阻电桥的电阻值，如所公知的，这将在输出端21和22之间产生一个差分电压。每单位压力变化引起的差分电压变化量被称之为“压力传感器的灵敏度”。压力传感器17的灵敏度通常随第一和第二偏置输入端18和19之间电压的增加而增大。例如，压力传感器17上跨接10V偏置电压与跨接5V偏置电压相比，对于同样的压力变化，将在输出端21和22之间所产生的电压变化要大些。每单位压力变化下可得到较大的差分电压的优点在于，可降低对噪声的敏感性，并可提高精确测量低压力的分辨率。
一个差分的单端输出放大器23用来放大压力传感器17的输出端21和22之间的差分电压，以提供一个单端输出电压。放大器23的第一输入端与压力传感器17的输出端21相连接，其第二输入端与压力传感器17的输出端22相连接，并有一个输出端24。放大器23调定在一个预定的增益上，该增益取决于具体的应用场合。影响放大器增益的因素有电压脉冲幅度，压力传感器17的输出信号电平，以及从放大器23接收的输出信号的电路类型。在优选实施例中，放大器23未被调定在一个很大的增益上(典型值小于150)，它是低噪声的，且具有快速的稳定时间，使得压力测量中输出24的稳定响应延时最小。
分压器26用来产生个与脉冲发生电路12输出的电压脉冲成比例的电压。在优选实施例中，分压器电路26是一个电阻分压器，其特征是两个串联电阻。该电路26具有一个输入端，与脉冲发生电路12的输出端13相连接，一个输出端27，例如从两个串联电阻中间引出。由脉冲发生电路12输出的电压脉冲的幅度可通过测量输出端27上的电压来计算并对此测得的电压乘以一个预定常数。
在优选实施例中，一个微处理器(MPU)28，例如莫托罗拉公司制造的MC68HC05微处理器，用以作为计算施加在压力传感器17上的有关压力的装置。微处理器28具有一个输出端，与脉冲发生电路12的控制输入端14相连接，用以启动脉冲发生电路12;一个输入端，与运算放大器23的输出端24相连接;一个输入端与分压器电路26的输出端27相连接;还有一个输出端29。运算放大器23和分压器电路26分别输出的模拟信号用于微处理器28计算压力。分别与输出端24和输出端27相连接的微处理器28的两个输入端分别与微处理28内的两个模/数转换器的输入端连接，由模/数转换器将每个模拟信号转换成一个数字格式。在微处理器28内，一个信道或复用器被启动，以将该输入耦合到微处理器28中的模/数转换器上。微处理器28根据其输入端上接收到的信号，计算出由压力传感器17感测的压力，并在输出端29上输出一个数字信号格式的、相应的压力指示。
脉冲型压力传感电路11的操作方法最好用测量压力时进行的一序列过程来示例说明。需要指出，利用电压脉冲来偏置压力传感器17，因功耗较低，可允许所加的电压幅度大得多，从而与用较低的直流偏置电压所偏置的同一压力传感器相比，能提高压力传感器灵敏度。电压脉冲可由其幅度和持续期(宽度)来表征。对于一个压力传感器，电压脉冲的幅度根据实验来确定，而这是以长期可靠性和压力传感器精度为基础的。初步的数据表明，与所建议的压力传感器直流偏置电压相比较，电压脉冲的幅度可增加大约4倍。例如，10V的直流偏置的压力传感器现在可施加40V的脉冲电压，灵敏度将增大到4倍。
电压脉冲的最小持续期由精确、稳定的测量所需的最少时间来决定。在这个最少时间内必须完成两个过程第一，压力传感器17被偏置，并在输出端21和22之间输出一个差分电压，它与箭头15所示端口上的环境压力成比例;第二，由放大器23放大此差分电压，并在输出端24上必须建立一个稳定电压(放大器的工作稳定时间)，供微处理器28进行取样。电压脉冲的最大持续期及其占空比，结合电压脉冲的幅度来考虑，不须使电阻R1-R6热到导致测量不准确的程度。
在正常环境下，压力变化发生得相当慢，压力测量通常都在1ms或稍长的时段内作出。脉冲型压力传感电路11的典型脉冲持续期为200μs。这就表明，压力测量中间的大部分时间为静寂时间，亦即压力传感器17空闲时间。因此，用电压脉冲偏置压力传感器17不仅提高了压力传感器的灵敏度，而且因电压脉冲之间不消耗功率还降低了功耗。
一个压力传感测量序列是从微处理器28启动脉冲发生电路12开始的。脉冲发生电路12的输出端13输出一个电压脉冲来偏置压力传感器17，还施加给分压器26。压力传感器17响应端口(箭头15所示)上的压力，在输出端21和22之间产生出一个差分电压。放大器23放大该差分电压，在其输出端24输出一个单端输出电压，供微处理器28接收。在微处理器28对该输出端24上的电压取样之前，放大器23的输出端24必须已稳定在一个电压值上。在脉冲发生电路12被启动后的一个预定时间，微处理器28对放大器23的输出端24上的电压和分压器电路26的输出端27上的电压进行取样。该预定时间要选择得能保证输出端24上的电压已稳定在与端口上的压力相对应的一个电压值上。微处理器28在将两个输入模拟信号转换在数字格式之后，将输出端24上的电压幅值和输出端27上的电压幅值存储在存储器中。
分压器26在本实施例中是必需的，因为该电压脉冲的电压幅值对于微处理器28的内部模/数转换器太大。分压器26输出一个与原来的电压脉冲幅度成比例的降低了的电压，这能由微处理器28内的模/数转换器转换成数字格式。只要简单地把这个降低了的电压乘以一个常数，便可得到电压脉冲幅值。微处理器28通过对输出端27和输出端24的同时取样，可允许脉冲发生电路12产生的电压幅度有较宽的容差，因为确切的电压值在被取样时是已知的。较宽的容差意味着构成脉冲发生电路12时成本可以降低。如果脉冲发生电路12能给出精确和稳定的电压脉冲，则分压器电路26可以不需要，因为该电压脉冲的幅度已知并可以存储在微处理器28的存储器中。
具有固定幅度的电压脉冲的脉冲型压力传感器电路11的另一种变型是电压脉冲幅度可变的动态压力传感器电路。改变电压脉冲幅度，改变动态压力传感器电路感测的压力范围。如前所述，采用高幅值的电压脉冲可提高压力传感器17的灵敏度，但减少了所能测量的压力范围。同样，减小电压脉冲幅度降低了压力传感器17的灵敏度，但增大测量的压力范围。脉冲发生电路12和微处理器28结合起来应用，以对压力感测应用中控制和输出合适幅度的电压脉冲。一个飞机上应用的例子说明了动态压力传感器电路优点。该飞机在所有飞行高度上都需要精密的压力测量。当飞机从海平面起飞到几万英尺时，将经受相当大的大气压力变化，在所有高度上不可能以固定的传感器灵敏度进行精确地测量。对于具体的压力测量，动态脉冲型压力传感器允许压力范围得到调整，以使压力传感器17的灵敏度最佳。
在优选实施例中，脉冲型压力传感器电路11是在工厂内校准好的。例如，在零压力(或者最小压力Pmin)下调整脉冲型压力传感器电路11，以在放大器23的输出端24上输出0.5V的电压。输出端24上的零压力校准电压称为Voff(偏移)。同样，在最大压力Pmax下调整脉冲型压力传感器电路11以输出4.5V。输出端24上的最大压力校准电压称为Vfs(满标度)。当Voff和Vfs校准好后，在分压器电路26的输出端27上测量得一个电压值称为Bcal。从这些校准值中产生出几个常数，它们存储在微处理器28。，用来计算压力。下面列举出用来计算压力的那些常数1)Vfs-Voff在压力测量中定义为“电压幅度(Span)”，2)(Vfs-Voff)/Bcal定义为“标称的电压幅度”，3)(Pmax＊Bcal)(Vfs-Voff)定义为Sn(标称的传感器灵敏度)。
4Voff/Bcal定义为Voffn(标称值)。
传感器灵敏度Sn和标称的最小压力电压Voffn均存储在微处理器28中，用以计算压力。在压力测量期间由微处理器28对输出端24和27上的输出进行取样。从放大器23的输出端24得到的取样电压值称为Vout，从分压器电路26的输出端27得到的取样电压值称为Vdiv。由微处理器28按下式计算压力，并以数字形式在输出端29上输出5)压力＝〔Vout-(Voffn＊Vdiv)〕＊〔Sn＊Vdiv〕脉冲型压力传感器电路11在超过规定的时间时漂移开在工厂中调定的校准电压值。电压的漂移或变化将降低测量精度。由于压力传感器17的偏置电压与录敏度之间存在着线性关系，因而使用一种简单方法来消除此种误差是可能的。电压漂移不影响偏置电压与灵敏度之间的线性关系的斜率。例如，对脉冲型压力传感器电路11在零压力(或者最小压力)下初始校准时被调定在0.50V，如果在零压力(或者最小压力)下再校准测量在输出端24上(由微处理器28进行测量)产生一个0.55V的电压，则表明脉冲型压力传感器电路11从其原来的调定值漂移开了0.05V。在再校准测量中，对分压器电路26的输出端27也必须进行测量。将新的测得值简单地替换上面列出的式子中的Voff值和Bcal值，就能消除掉电压漂移。对脉冲型压力传感器电路11的漂移作再校准，可保证最高的测量精度。
至此，应理解到，这里已提供出了一种用以感测压力的脉冲型压力传感器电路。该脉冲型压力传感器电路11提高了低压力测量的灵敏度，并能做到低成本和低功耗。
权利要求
1.一种具有提高灵敏度的脉冲型压力传感器电路(11)，其特征在于包括一个脉冲发生电路(12)，用以在输出端(13)输出电压脉冲；一个压力传感器(17)，具有一个偏置电压输入端(18)，与所述脉冲发生电路(12)的所述输出端(13)相连接；两个输出端(21和22)；以及一个曝露在环境压力中的端口；用以根据所述的环境压力，在所述的输出端上至少提供出一个输出信号。
2.根据权利要求1的脉冲型压力传感器电路，其特征在于，所述的脉冲发生电路(12)具有一个控制输入端(14)，响应其上所施加的启动信号，提供所述的电压脉冲。
3.根据权利要求2的脉冲型压力传感器电路，其特征在于还包括一个放大器(23)，具有一个输入端与所述压力传感器的所述输出端(21和22)相连接，以及一个输出端(24);及一个分压器电路(26)，具有一个输入端，与所述脉冲发生电路(12)的所述输出端(13)相连，以及一个输出端(27)。
4.根据权利要求3的脉冲型压力传感器电路，其特征在于还包括一个微处理器(28)，具有一个第一输入端，与所述放大器(23)的所述输出端(24)相连接;一个第二输入端与所述分压器电路(26)的所述输出端(27)相连接;一个第一输出端，与所述脉冲发生电路(12)的所述控制输入端(14)相连接;以及一个第二输出端(29)，所述的微处理器(28)在其输出端上提供上述的启动信号和压力数据输出。
5.根据权利要求1的脉冲型压力传感器电路，其特征在于，所述脉冲发生电路(12)响应所述微处理器(28)的所述启动信号，改变所述电压脉冲的幅度以改变所述压力传感器(17)的灵敏度。
6.一种感测压力方法，其特征在于将压力传感器(17)的一个端口曝露在环境压力中;提供电压脉冲;以上述的电压脉冲偏置上述的压力传感器(17);测量上述压力传感器(17)的输出电压，所述的输出电压上述的环境压力成比例。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于，偏置所述压力传感器的上述步骤包括改变所述电压脉冲的电压幅度来调整所述压力传感器(17)的灵敏度。
8.根据权利要求6的方法，其特征在于，上述测量输出电压的步骤包括放大所述压力传感器(17)的所述输出电压;在一个预定的时间对上述的已放大输出电压取样;将上述电压转换成数字格式。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于还包括感测所述的电压脉冲;减小所述电压脉冲的幅度;在一个预定的时间对所述减小了幅度的电压脉冲取样;将上述的取样电压脉冲转换成数字格式。
10.一种脉冲型压力传感电路，其特征在于包括一个脉冲发生电路(12)，具有一个控制输入端(14)和一个输出端(13);一个压力传感器，具有一个偏置电压输入端(18)，与所述脉冲发生电路(12)的所述输出端(13)相连接，一个第一输出端(21)，一个第二输出端(22)，以及一个端口，将一个膜片曝露在待测压力中;一个放大器(23)，具有一个第一输入端，与所述压力传感器(17)的所述第一输出端(21)相连接，一个第二输入端，与所述压力传感器(17)的所述第二输出端(22)相连接，以及一个输出端(24);一个分压器电路(26)，具有一个输入端，与所述脉冲发生电路(12)的所述输出端(13)相连接，以及一个输出端(27);计算压力的装置，具有一个第一输入端，与所述放大器(23)的所述输出端(24)相连接，一个第二输入端，与所述分压器电路(26)的所述输出端(27)相连接，一个第一输出端，与所述控制输入端(14)相连接，以及一个第二输出端(29)。
全文摘要
本发明的脉冲型压力传感器电路提高了灵敏度、用以测一低压力。脉冲发生电路(12)由微处理器(28)启动，输出一个电压脉冲来偏置压力传感器(17)。该传感器具有一个端口曝露在待测压力中，输出一个与待测压力成比例的差分电压。放大器(23)放大该差分电压后加给微处理器。分压器(26)将电压脉冲分压后加给微处理器。微处理器对两个输入电压分别取样和数字化，根据样值和存储器中的数据计算出压力。
文档编号G01L9/02GK1086012SQ9311808
公开日1994年4月27日 申请日期1993年9月27日 优先权日1992年10月1日
发明者杰弗里·鲍姆, 沃伦·J·舒尔茨 申请人:莫托罗拉公司