專利名稱：檢測器信號處理設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于從檢測器部分提取一種信號以作為所要測量的物理量的函數(shù)的檢測器信號處理設(shè)備，且更具體地說是涉及一種檢測器信號處理電路，用于通過信號處理消除由于溫度改變等而從元件產(chǎn)生的誤差(這些誤差以下將被稱為基于元件的誤差)和由于運(yùn)算放大器的偏移等而從電路產(chǎn)生的誤差(這些誤差以下將被稱為基于電路的誤差)。
近來，在壓力測量領(lǐng)域，電子壓力儀已經(jīng)迅速地取代了機(jī)械壓力儀。電子壓力儀可大體分成把壓力檢測膜中的壓力改變轉(zhuǎn)換成電阻改變的電阻式和把壓力感應(yīng)膜的位移轉(zhuǎn)換成電容改變的電容式。在這些類型的檢測器中，一種電容式壓力檢測器在精細(xì)壓力測量上是優(yōu)異的。


圖16顯示了上述電容式壓力檢測器的結(jié)構(gòu)。參見圖16，在一個基底101的表面的中心部分上形成了一個第一凹進(jìn)部分101a。形成了一個槽形第二凹槽部分101b以通過一個隔離部分104而圍繞第一凹進(jìn)部分101a。形成了一個薄的隔膜基底102，以物其上形成有凹進(jìn)部分101a和101b的基底101的表面相接合。基底101上由第一和第二凹進(jìn)部分101a和101b所圍繞的空間形成了電容腔103a和103b。
如圖17所示，在第一凹進(jìn)部分101a的底表面上形成了一個正方形的固定電極105a。在膜基底102上形成了一個可移動電極105b，它與固定電極105a相對并相距一個預(yù)定距離。電極105a由一個引線105c引到外面。電極105b也由一個引線(未顯示)引到外面。將要在后面描述的一個檢測器電容114a(圖18)由一對電極105a和105b和電極105a和105b之間的作為介電部分的空氣構(gòu)成。
如圖17所示，在第二凹進(jìn)部分101b的底表面上形成了正方形框形狀的帶式電極106a。在膜基底102上形成了一個電極106b，它與電極106a相對并相距一個預(yù)定的距離。電極106a由一個引線106c引到外面。電極106b也由一個引線(未顯示)引到外面。將要在后面描述的一個基準(zhǔn)電容114b(圖18)由一對電極106a和106b以及存在于電極106a和106b之間的作為介電部分的空氣構(gòu)成。
注意電容腔103a和103b之間的隔離部分104被部分地除去，以使電容腔103a和103b中的空氣能夠方便地混合。
作為電容腔103a的一部分的膜基底102的一部分被作為壓力感應(yīng)膜102a。如圖16所示，當(dāng)正壓力P從外部作用在膜基底102上時，壓力感應(yīng)膜102a向著電容腔103a偏轉(zhuǎn)。由于電極105b隨著壓力感應(yīng)膜102a偏轉(zhuǎn)，電極105a與105b之間的間隙減小，且檢測器電容114a的電容Cs增大。此時，作為電容腔103b的一部分的膜基底102的一部分在施加壓力P時不偏轉(zhuǎn)，因而基準(zhǔn)電容114b的電容Cr不改變。即，檢測器電容114a起著第一檢測元件的作用，其電容Cs根據(jù)壓力P的改變而改變。
作為電容腔103b的一部分的膜基底102的該部分在壓力P施加時不偏轉(zhuǎn)，因?yàn)殡娙萸?03b窄。因此，基準(zhǔn)電容114b的電容Cr不改變。即，基準(zhǔn)電容114b起著即使在壓力P改變時也呈現(xiàn)恒定電容Cr的第二檢測器的作用。
基準(zhǔn)電容114b用于消除由于檢測部分114周圍的溫度改變、電容腔103a的濕度改變等而產(chǎn)生的測量誤差(基于元件的誤差)。更具體地說，消除了上述測量誤差的壓力P可通過根據(jù)檢測器電容114a的電容Cs和基準(zhǔn)電容114b的電容Cr來計(jì)算K1=(Cs-Cr)／Cs…(1)而在理論上獲得。
假定ε是電容腔103a和103b中的空氣的介電常數(shù)，d是檢測器電容114a(在非測量時期中)的電極105a和105b之間的間隙和基準(zhǔn)電容114b中的電極106a與106b之間形成間隙，△d是壓力感應(yīng)膜102a的壓力壓力檢測位移，且S是電極105a和105b的相對表面之每一個的面積和電極106a和106b的相對表面的面積，電容Cs和Cr可被表示如下Cs=εs／(d+△d) …(2)Cr=εs／d…(3)把公式(2)和(3)代到公式(1)中，得到K1=-△d／d …(4)顯然，壓力P可從公式(1)獲得。
圖18顯示了用于從圖16中的檢測部分114提取作為壓力P的函數(shù)的信號的一種檢測器信號處理電路。
參見圖18，檢測部分114的檢測器電容114a的輸入側(cè)通過一個緩存器113a和切換部分112而與一個交流電源111相連?；鶞?zhǔn)電容114b的輸入側(cè)通過一個緩存器113b和切換部分112與該交流電源111相連。一個放大部分115與檢測部分114的該輸出端相連。一個CPU(中央處理單元)117通過一個A／D(模擬-數(shù)字)轉(zhuǎn)換器116而與放大部分115的該輸出端相連。
放大部分115由一個運(yùn)算放大器115a和電容115b組成。運(yùn)算放大器115a的非倒相輸入端(+)、倒相輸入端(-1)和輸出端分別與地(G)、電容114a和114b的節(jié)點(diǎn)114c和A／D轉(zhuǎn)換器116相連。電容115b與運(yùn)算放大器115a的輸出端和電容114a和114b的節(jié)點(diǎn)相連。
CPU117輸出用于切換操作的控制信號118至切換部分112，并在為切換部分112的每一個切換操作結(jié)合從A／D轉(zhuǎn)換器116輸出的信號時進(jìn)行算法處理。
假定V1是來自交流電源111的輸出電壓，且Cf是電容器115b的電容，當(dāng)電源111與檢測器電容114a相連時來自放大部分115的輸出電壓V101可由以下公式給出V101=-CsVi／Cf…(5)
當(dāng)電源111與基準(zhǔn)電容114b相連時來自放大部分115的輸出電壓V102可由以下公式給出V102=-CrVi／Cf…(6)因此，公式(1)表示的K可利用以下的公式(7)獲得(V101-V102)／V101=(Cs-Cr)／Cs=K1…(7)然而，在圖18所示的信號處理電路中，公式(5)和(6)表示的關(guān)系，由于連線電容、緩存器113a和113b以及運(yùn)算放大器115a的偏移等，而不能被適當(dāng)?shù)孬@得。更具體地說，假定e101、e102、和e1033是基于緩存器113a和113b以及運(yùn)算放大器115a的偏移的誤差，放大部分115的輸出電壓V101和V102可表示為V101=-Cs(Vi+e101)／Cf+e103…(5a)V102=-Cr(Vi+e102)／Cf+e103…(6a)如公式(5a)和(6a)所示，誤差e101至e103不能被消除。同樣的情況也適用于連線電容。因此，只能獲得包含基于電路的誤差的測量結(jié)果。
另外，在傳統(tǒng)的檢測器信號處理電路中，由于公式(1)不能從公式(5a)和(6a)獲得，由于溫度改變等產(chǎn)生的基于元件的誤差不能得到消除。
因此，根據(jù)傳統(tǒng)的檢測器信號處理電路，由于在結(jié)果中獲得了電路和基于元件的誤差，不能獲得準(zhǔn)確的高精度的測量結(jié)果。
本發(fā)明的一個目的，是提供得到適當(dāng)設(shè)計(jì)以改善檢測器的測量精度的檢測器信號處理設(shè)備。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種檢測器信號處理設(shè)備，包括檢測器裝置，其特性根據(jù)所要測量的物理量的改變而改變；電源裝置，用于向檢測器裝置提供具有不同的極性的兩種系統(tǒng)的電力；切換裝置，它連接在電源裝置和檢測器裝置之間，用于切換來自電源裝置的兩個系統(tǒng)的電力的組合并同時防止這兩個系統(tǒng)的電力的混合；以及，算法裝置，用于獲得切換裝置的每一個切換操作的來自檢測器裝置的多個信號輸出之間的差之間的一個比值。
圖1是電路圖，顯示了根據(jù)應(yīng)用于圖16和17所示的壓力檢測器的根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的檢測器信號處理電路；圖2是剖視圖，顯示了用于探測從兩個方向施加的壓力之間的差的電容式壓力檢測器；圖3是圖2中的檢測器部分的電路圖；圖4是電路圖，顯示了用于圖2和3所示的電容式壓力檢測器的根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的檢測器信號處理電路；圖5是電阻式壓力檢測器的平面圖；圖6是沿著圖5所示的壓力檢測器的I-I’線取的剖視圖；圖7是電路圖，顯示了用于圖5和6所示的壓力檢測器的根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的檢測器信號處理電路；圖8是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的檢測器信號處理電路，該實(shí)施例是通過部分地改進(jìn)圖7所示的檢測器信號處理電路而獲得的；圖9A至9D是提供給圖8所示的檢測器信號處理電路中的切換部分的控制信號的時序圖；圖10是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例的檢測器信號處理電路，它具有在圖4所示的放大部分中的直流偏置補(bǔ)償電阻；圖11是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例的檢測器信號處理電路，它借助同步探測而消除了檢測器部分中產(chǎn)生的寄生電阻的影響；圖12是電路圖，顯示了圖11所示的檢測器信號處理電路的基本設(shè)置；圖13是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的檢測器信號處理電路，它消除了圖10中的檢測器部分中產(chǎn)生的電阻的影響；圖14是電路圖，顯示了圖13中顯示的檢測器信號處理電路的基本設(shè)置；圖15是電路圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例的檢測器信號處理電路，它是圖1所示的電路的修正；圖16是其上加有來自一個方向的壓力的電容式壓力檢測器的剖視圖；圖17是沿著圖16中的II-II’線的剖視圖；圖18是電路圖，顯示了應(yīng)用于圖16和17顯示的壓力檢測器的傳統(tǒng)檢測器信號處理電路。
以下結(jié)合附圖描述本發(fā)明。
第一實(shí)施例圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的檢測器信號處理電路，它被應(yīng)用于圖16和17顯示的電容式壓力檢測器。
在圖1所示的檢測器信號處理電路中，一個電源部分11包括具有不同的極性的兩個系統(tǒng)的交流電源11a和11b。一個檢測器部分14(對應(yīng)于圖16中的檢測器部分114)包括一個基準(zhǔn)電容14b(對應(yīng)于圖16中的基準(zhǔn)電容114b)。電容14a和14b都具有溫度和濕度特性，這將在后面描述。
一個切換部分12被設(shè)置在電源部分11的輸出端與檢測器部分14的輸入端之間。切換部分12包括用于連接電源11a至檢測器電容器14a的開關(guān)12a、用于連接電源11b至基準(zhǔn)電容14b的開關(guān)12b、用于連接電源11a至基準(zhǔn)電容14b的開關(guān)12c、用于連接電源11b至檢測器電容器14a的開關(guān)12d、以及用于連接基準(zhǔn)電容14b的輸入端至地(G)開關(guān)12e。開關(guān)12a至12d構(gòu)成了一個2輸入／2輸出的橋。
緩存器13a和13b被連接在切換部分12與檢測器部分14之間。緩存器13a和13b消除了當(dāng)開關(guān)12a至12c導(dǎo)通時產(chǎn)生的輕微的導(dǎo)通電阻的誤差。因此，如果開關(guān)12a至12d是理想開關(guān)，且它們的導(dǎo)通電阻低得可忽略，則不需要緩存器13和13b。
用于放大和輸出來自檢測器部分14的輸出信號的放大部分15與檢測器部分14的輸出端相連。一個CPU17起著算法部分的作用，并通過一個A／D轉(zhuǎn)換器16而與放大部分15的輸出端相連。
放大部分15由運(yùn)算放大器15a和電容器15b構(gòu)成。運(yùn)算放大器15a的非倒相輸入端(+)、倒相輸入端(-)和輸出端分別與地(G)、基準(zhǔn)電容14a與14b的節(jié)點(diǎn)14c、以及A／D轉(zhuǎn)換器16相連。電容器15b連接在電容器14a與14b的節(jié)點(diǎn)14c和運(yùn)算放大器15a的輸出端之間。注意可用一個電阻來代替電容器15b。
CPU17向切換部分12輸出用于切換電源部分11與檢測器部分14之間的連接的控制信號18，并在切換部分12每次進(jìn)行切換操作時用從A／D轉(zhuǎn)換器16輸出的多個信號的組合進(jìn)行算法處理。
來自CPU17的控制信號18被用于在一個短時間中以四種方式切換電源部分11與檢測器部分14之間的連接。然而，把來自兩個系統(tǒng)的交流電源11a和11b的輸出混合的任何組合都是應(yīng)該禁止的。更具體地說，以下的組合是禁止的切換部分12的開關(guān)12a和12d的組合-它們在導(dǎo)通時把兩個交流電源11a和11b連接至檢測器電容器14a，以及開關(guān)12b與12c的組合-它們在被導(dǎo)通時把兩個交流電源11a和11b連接至基準(zhǔn)電容14b。
在CPU17進(jìn)行的算法處理中，在計(jì)算為切換部分12的每次切換操作而依次輸入的第一至第四信號中的第一和第二信號之間的第一個差，以及第三和第四信號之間的第二個差時，CPU17計(jì)算第一和第二個差之間的比值，從而獲得用于得到一個壓力P的物理量。
在圖18所示的傳統(tǒng)的檢測器信號處理電路中，有諸如導(dǎo)線電容和緩存器113a和113b和運(yùn)算放大器115a的偏移的誤差因素。這適用于圖1所示的檢測器信號處理電路。但根據(jù)本實(shí)施例的檢測器信號處理電路，由于可通過如上所述的信號處理消除誤差因素，可獲得沒有任何基于電路的誤差的測量結(jié)果。
假定基于緩存器13a和13b和運(yùn)算放大器15a的偏移的誤差分別可用e1、e2和e3表示。以下描述消除這些誤差的原理。設(shè)Vi1和Vi2是來自電源部分11的電源11a和11b的輸出電壓，且Cr是放大部分15的電容器15b的電容。
首先，CPU17在一個短時間中依次輸出作為控制信號的信號s1至s4。這些信號被用來以表1表示的方式對切換部分12的開關(guān)12a至12e進(jìn)行通-斷控制。在此情況下，緩存器13b的非倒相輸入端(+)通過用信號s3和s4導(dǎo)通開關(guān)12e而與地相連。這防止了緩存器13b的非倒相輸入端(+)發(fā)生浮動。
表1
當(dāng)信號s1至s4被提供給切換部分12時，來自放大部分15的輸出電壓V1至V4可被表示為V1=-[Cs(Vi1+e1)+Cr(Vi2+e2)]／Cf+e3…(8)V2=-[Cs(Vi2+e1)+Cr(Vi1+e2)]／Cf+e3…(9)V3=-Cs(Vi1+e1)／Cf+e3…(10)V4=-Cs(Vi2+e1)／Cf+e3…(11)(V1-V2)／(V3-V4)是按照以下公式從公式(8)至(11)計(jì)算的(V1-V2)／(V3-V4)=(CsVi1+CrVi2-CsVi2-CrVi1)／(CsVi1-CsVi2)…(12)因此，誤差e1至e3可被消除。
來自交流電源11a和11b的輸出電壓較好地是具有以下關(guān)系Vi1=-Vi2(13)然而，可能發(fā)生電壓漲落，因而Vi1=-αVi2(14)
其中α(α＞0)是一個誤差系數(shù)。
把公式(14)代入公式(12)，得到(V1-V2)／(V3-V4)=(Cs-Cr)／Cs(=K1) …(15)因此，可獲得公式(1)。顯然，在公式(15)中，誤差系數(shù)α被消除了，因而測量結(jié)果不包含由于電壓變化產(chǎn)生的誤差。
雖然以上描述示例性地表示了由于緩存器13a和13b和運(yùn)算放大器15a的偏移產(chǎn)生的誤差e1至e3的情況，用相同的原理也可消除其他的誤差因素，諸如連線電容。另外，即使在圖1所示的檢測器信號處理電路中包含了一個電路(未顯示)，由于所包含的電路產(chǎn)生的誤差也能夠被消除。
如上所述，來自兩個系統(tǒng)的電源11a和11b的輸出的四種組合被提供給檢測器部分14，且獲得了各個組合切換時來自檢測器部分14的四種信號輸出之間的差，從而從測量結(jié)果中消除了由于偏移等產(chǎn)生的基于電路的誤差。這種方法將被稱為第四象限比值量度方法。
雖然檢測器電容器14a和基準(zhǔn)電容14b都有溫度和濕度特性，也可從測量結(jié)果消除由于這些特性產(chǎn)生的基于元件的誤差。
以下先描述電容器14a和14b的溫度特性。電容器14a和14b的溫度特性主要來自基底101和隔膜基底102的熱膨脹(圖16)。雖然基底101和102的平面形狀是正方形的，它們也可以是圓形狀的。因而，如果檢測器電容器14a用略微柔性的盤來近似，其周長是完全固定的，電容Cs的溫度特性可由以下公式給出Cs=πϵ-16Et33dP(υ2-1)arctanh3Pr4(υ2-1)16Edt3---(16)]]>另外，假定基準(zhǔn)電容14b的壓力靈敏度為零，電容Cr的溫度特性為Cr=επr2／d (17)在公式(16)和(17)中，壓力P和泊松比值ν是不具有溫度特性的參數(shù)，且壓力感應(yīng)膜102a的介電常數(shù)ε、楊氏模量E、厚度t和半徑r(圖16)以及電極105a和105b之間的間隙d由于熱膨脹等是具有溫度特性的參數(shù)。
假定△T是從基準(zhǔn)溫度的溫度改變，基底1和2的熱膨脹系數(shù)可表示為f(△T)。如果該熱膨脹系數(shù)被引入具有溫度特性的參數(shù)，可獲得公式(18)至(20)。設(shè)基底材料沒有晶體各向異性。
t=t0[1+f(△T)] …(18)r=r0[1+f(△T)] …(19)d=d0[1+f(△T)] …(20)在公式(18)至(20)中，f0、r0和d0分別是在基準(zhǔn)溫度下的壓力感應(yīng)膜102a厚度和半徑以及電極105a和105b之間的間隙。
如果公式(18)至(20)被代入公式(16)和(17)，并被進(jìn)一步代入公式(1)以獲得溫度特性，可獲得公式(21)。
K1=1-β／arctanh(β)(21)其中β=[3Pr04(ν2-1)／(16Ed0t03)]1／2…(22)如從公式(21)和(22)可見，除了楊氏模量以外的所有具有溫度特性的參數(shù)都被消掉了。另外，由于楊氏模量E的影響很小，借助公式(1)基本上可消除由于溫度改變產(chǎn)生的誤差。
以下描述電容器14a和14b的濕度特性。電容器14a和14b的濕度特性主要來自電容腔103a和103b中的介電常數(shù)ε隨著濕度的改變。如從公式(21)和(22)可見，由于介電常數(shù)ε通過解公式(1)而被消了，由于濕度改變引起的誤差被從測量結(jié)果中消除了。
如上所述，根據(jù)本實(shí)施例的檢測器信號處理電路，通過在A／D轉(zhuǎn)換時相對于V1至V4計(jì)算(V1-V2)／(V3-V4)，可從測量結(jié)果中消除所有基于電路的誤差。另外，由于公式(1)可通過計(jì)算(V1-V2)／(V3-V4)而獲得，由于溫度改變、濕度改變等產(chǎn)生的基于元件的誤差可得到消除。因此，能夠獲得沒有基于電路的誤差和基于元件的誤差的準(zhǔn)確的高精度的測量結(jié)果。
在上述實(shí)施例中，CPU17計(jì)算(V1-V2)／V3-V4)。然而，上述計(jì)算可通過模擬算法操作或不采用CPU17的另一數(shù)字算法電路來進(jìn)行。
(第二實(shí)施例)根據(jù)本發(fā)明的檢測器信號處理電路可被用于電容式壓力檢測器，以探測從兩個方向施加的壓力之間的差。圖2顯示了這種壓力檢測器的結(jié)構(gòu)。圖3顯示了一種檢測器部分。
參見圖2檢測器部分34具有在表面上的壓力感應(yīng)膜22a和22a’。在檢測器部分34中，在隔膜基底22和22’的外表面的中心部分形成有凹進(jìn)部分，且這些凹進(jìn)部分的底部形成了壓力感應(yīng)膜22a和22a’。
包括壓力感應(yīng)膜22a和22a’的該隔膜基底22和22’被接合到筒形的框架部件21的兩端的開放部分。被隔膜基底22和22’和框架部件21所圍繞的空間形成了一個電容腔23。壓力感應(yīng)膜22a和22a’與設(shè)置在電容腔23中的一個支撐部27耦合。一個中心支撐板28與支撐部27整體地形成，以與隔膜基底22和22’平行并與隔膜基底22和22’和框架部件21相分開。隔膜基底22和22’、框架部件21、支撐部27、以及中心支撐板28，是由諸如藍(lán)寶石玻璃部件的絕緣部件形成的。
用導(dǎo)電薄膜制成的固定電極25a和26a被形成在隔膜基底22和22’的周邊部分的內(nèi)表面上，以彼此相對。在中心支撐板28的兩個表面的周邊部分上形成有用導(dǎo)電薄膜制成的可移動電極25b和26b，以通過一個預(yù)定距離而與固定電極25a和26a的部分相對。一個第一檢測器電容34a由一對電極25a和25b和它們之間的空氣構(gòu)成。一定第二檢測器電容34由一對電極26a和26b以及它們之間的空氣構(gòu)成。
壓力HP和LP(HP＜LP)從壓力感應(yīng)膜22a的兩個表面被加到具有這種設(shè)置的檢測器部分34上。此時，壓力感應(yīng)膜22a和22a’和支撐部27按照壓力HP和LP之差沿著壓力感應(yīng)膜22a的方向整體地移動。結(jié)果，由于中心支撐板28上的電極25b和中心支撐板28沿著壓力感應(yīng)膜22a的方向位移，電極25a和25b之間的間隙減小，且電容C1增大。
此時，由于電極26b與中心支撐板28也沿著壓力感應(yīng)膜22a的方向位移，電極26a和26b之間的間隙增大，且第二檢測器電容34b的電容C2減小。
雖然第一和第二檢測器電容34a和34b有溫度特性，按照與第一實(shí)施例中描述的原理相同的原理，在理論上可通過解公式(23)而從測量結(jié)果中消除由于溫度特性產(chǎn)生的基于元件的誤差。
K2=(C1-C2)／(C1+C2) …(23)假定ε是電容腔23中的空氣的介電常數(shù)，d是第一檢測器電容34a中的電極25a和25b之間的間隙(在非測量期間)和第二檢測器電容34b中的電極26a和26b之間的間隙，△d是壓力感應(yīng)膜22a和22a’的壓力敏感位移，且S是電極25a和25b的各相對表面的面積和電極26a和26b的相對表面的面積，電容C1和C2可由以下公式給出C1=εS／(d+△d) …(24)C2=εS／(d-△d) …(25)把公式(24)和(25)代入公式(23)，得到K2=-△d／d (26)顯然，壓力HP和LP之間的差可從公式(23)得到。
圖4顯示了用于從圖2的檢測器部分34提取作為壓力差的函數(shù)的一個信號的檢測器信號處理電路。
圖4中的檢測器信號處理電路與圖1中的電路的不同，在于檢測器部分14被圖2和3中的檢測器部分34所取代。切換部分12的開關(guān)12a至12d由來自CPU17的控制信號18(信號s5至s8)進(jìn)行通一斷控制，如表2所示。注意由于緩存器13b的非倒相輸入端(+)在輸出信號s5至s8時不浮動，切換部分12’沒有開關(guān)12e(圖1)。
表2
在此設(shè)置中，考慮到基于緩存器13a和13b以及運(yùn)算放大器15a的偏移的誤差e1至e3，當(dāng)信號s5至s8被提供給切換部分12’時來自放大部分15的輸出電壓V5至V8被表示為V5=-[C1(Vi1+e1)+C2(Vi2+e2)]／Cf+e3…(27)V6=-[C1(Vi2+e1)+C2(Vi1+e2)]／Cf+e3…(28)V7=-[C1(Vi1+e1)+C2(Vi1+e2)]／Cf+e3…(29)V8=-[C1(Vi2+e1)+C2(Vi2+e2)]／Cf+e3…(30)如果(V5-V6)／(V7-V8)從公式(27)至(30)得到計(jì)算且公式(14)被代入而考慮了電壓變化，則(V5-V6)／(V7-V8)=(C1-C2)／(C1+C2)(=K2)…(31)因此，由于偏移和電壓變化產(chǎn)生的基于電路的誤差可被消除，且可獲得公式(23)。因此，借助公式(23)可獲得從中消除了由于溫度改變產(chǎn)生的基于元件的誤差的測量結(jié)果。
探測從兩個方向施加的壓力之間的差的電容式壓力檢測器，通過采用如第一實(shí)施例中的第四象限比值量度方法，也能夠獲得沒有任何基于元件的誤差和基于電路的誤差的準(zhǔn)確的高精度的測量結(jié)果。
在CPU17進(jìn)行的算法處理中，采用了用于切換部分12和12’的每一個切換操作的四個信號輸入。然而在本發(fā)明中，通過計(jì)算多個信號之間的差之間的比值，可消除基于電路的誤差和基于元件的誤差。所要進(jìn)行算法處理的信號的數(shù)目不限于四個。另外，如果檢測器部分是由基于電阻的檢測器元件構(gòu)成的，本發(fā)明可被用于例如諸如可變電感壓力計(jì)的電感式檢測器。
(第三實(shí)施例)以下描述根據(jù)本發(fā)明的檢測器信號處理電路在電阻式壓力檢測器上的應(yīng)用。在這種電阻式壓力檢測器中，諸如壓電電阻元件的一個畸變計(jì)被設(shè)置在一個壓力感應(yīng)膜上，以在壓力感應(yīng)膜由于所加的壓力而發(fā)生畸變時根據(jù)畸變計(jì)的電阻改變而測量外部施加的壓力。
在圖5的電阻式壓力檢測器中，構(gòu)成一個檢測器部分54的一個隔膜基底42用n型硅制成。在隔膜基底42的下表面的中心部分形成有一個凹進(jìn)部分，如圖6所示。且該凹進(jìn)部分的底部形成了一個壓力感應(yīng)膜42a。用p型擴(kuò)散電阻層制成的壓電電阻元件(檢測器元件)44a和44b被形成在壓力感應(yīng)膜42a的兩個周邊部分上。壓電電阻元件44a是沿著壓力感應(yīng)膜42a的周邊形成的，且壓電電阻元件44b從壓力感應(yīng)膜42a的周邊延伸到中心。
如圖6所示，在壓力感應(yīng)膜42a上形成有一個用SiO2制成的交錯介電膜45，且在該交錯介電膜45上形成有用金屬制成的互連47a至47c和端46a至46c。端46a是電源端并經(jīng)交錯介電膜45上的一個插頭48a而與壓電電阻元件44a的一端相連。46c也是電源端并經(jīng)過交錯介電膜45上的一個插頭(未顯示)和互連47c而與壓電電阻元件44b的一端相連。端46b是一個輸出端，并經(jīng)過交錯介電膜45上的插頭47b和互連47b而與壓電電阻元件44a和44b的每一個的另一端相連。
當(dāng)正壓力P被加到隔膜基底42的上表面?zhèn)葧r，隔膜基底42的壓力感應(yīng)膜42a向著隔膜基底42的下表面偏轉(zhuǎn)。當(dāng)壓力感應(yīng)膜42a偏轉(zhuǎn)時，壓電電阻元件44a沿著其縱向方向收縮。結(jié)果，壓電電阻元件44a的電阻Rv從R改變至R+△R(△R＜0)。此時，由于壓電電阻元件44b沿著縱向方向延伸，壓電電阻元件44b的電阻Rd從R改變至R-△R(△R＜0)。
與此相對比，當(dāng)負(fù)壓力P被加到隔膜基底42的上表面?zhèn)葧r，壓力感應(yīng)膜42a向著隔膜基底42的上表面偏轉(zhuǎn)，當(dāng)壓力感應(yīng)膜42a偏轉(zhuǎn)時，壓電電阻元件44沿著其縱向方向延伸。結(jié)果，壓電電阻元件44a的電阻Rv從R改變至R+△R(△R＞0)。此時，壓電電阻元件44沿著縱向方向收縮，因而壓電電阻元件44b的電阻Rd從R改變至R-△R(△R＞0)。
如上所述，由于壓電電阻元件44a和44b的電阻Rv和Rd根據(jù)加到隔膜基底42上的壓力P而沿著相反的方向改變，作為壓電電阻元件44a和44b的節(jié)點(diǎn)的端46b的電位相應(yīng)改變。通過對端46b的電位作算法處理，就能夠獲得所施加的壓力P。
圖7顯示了用于從圖5中的檢測器部分54提取一個信號即端46的電位以作為壓力P的函數(shù)的檢測器信號處理電路。
圖7所示的檢測器信號處理電路與圖1顯示的電路的不同，在于檢測器部分14被圖5和6顯示的檢測器部分54所取代。一個電源部分51由具有不同極性的兩個系統(tǒng)的直流電源51a和51b構(gòu)成。
電源51a和51b的輸出電壓Vi3和Vi4較好地是具有由Vi4表示的關(guān)系Vi3=-Vi4…(32)然而，如果發(fā)生了一個電壓改變，這些輸出電壓可具有以下關(guān)系Vi3=-αVi4…(33)一個放大部分55由一個運(yùn)算放大器55a和具有電阻Rf的一個電阻55b構(gòu)成。切換部分12’的開關(guān)12a至12d受到來自CPU17的控制信號18(信號s9至sC)的通-斷控制。這些信號s9至sC與信號s5至s8(表2)相同。
在此設(shè)置中，考慮到基于緩存器13a和13b和運(yùn)算放大器55a的偏移的誤差e1至e3，當(dāng)信號s9至sC被提供給開關(guān)12’時來自放大部分15的輸出電壓V9至VC由以下公式給出
V9=-Rf[Rv(Vi2+e2)+Rd(Vi1+e1)]／RvRd+e3…(34)VA=-Rf[Rv(Vi1+e2)+Rd(Vi2+e1)]／RvRd+e3…(35)VB=-Rf[Rv(Vi1+e2)+Rd(Vi1+e1)]／RvRd+e3…(36)VC=-Rf[Rv(Vi2+e2)+Rd(Vi2+e1)]／RvRd+e3…(37)如果(V9-VA)／(VB-VC)從公式(34)至(37)計(jì)算出且公式(33)被代入以考慮電壓變化，則(V9-VA)／(VB-VC)=(Rd-Rv)／(Rd+Rv) …(38)因此，由于偏移和電壓變化產(chǎn)生的基于電路的誤差被消除了。
把Rv=R+△R，Rd=R-△R …(39)代入公式(38)，得到(V9-VA)／(VB-VC)=-△R／R …(40)如上所述，施加的壓力P可通過從(V9-VA)／(VB-VC)獲得壓電電阻元件44a與44b的電阻之間的改變量比值，而得到。雖然壓電電阻元件44a和44b具有溫度特性，按照與第一實(shí)施例中描述的相同的原理，通過計(jì)算(Rd-Rv)／(Rd+Rv)，在理論上可從測量結(jié)果中消除由于溫度改變引起的基于元件的誤差。
因此，如果(V9-VA)／(VB-VC)是在A／D轉(zhuǎn)換之后相對于V9至VC而計(jì)算出的，就能夠獲得沒有基于電路的誤差也沒有基于元件的誤差的準(zhǔn)確的高精度的測量結(jié)果。
(第四實(shí)施例)在圖7顯示的檢測器信號處理電路中，當(dāng)具有不同極性的電源51a和51b分別與壓電電阻元件44a和44b相連時，檢測器部分54的輸出電平比單個電源51a(51b)與兩個壓電電阻元件44a和44b相連時低很多。更具體地說，電壓V9和VA的電平幅度比電壓VB和VC低約兩個量級。如果這些電壓V9至VC被一個實(shí)際電路A／D轉(zhuǎn)換，則由于分辨率的原因小的值不能得到準(zhǔn)確的A／D轉(zhuǎn)換。
圖8顯示了解決上述問題的一種檢測器信號處理電路。參見圖8，作為控制信號18而從CPU17’依次輸出的信號s9’至sC’，象第三實(shí)施例中的信號s9至sC那樣，被用于控制切換部分12’的切換操作。注意信號sB’和sC’的輸出時間被設(shè)定為信號s9’和sA’的輸出時間的1／100。例如，如果信號s9’和sA’的輸出時間是10msec，如圖9A和9B所示，則信號sB’和sC’的輸出時間被設(shè)定為0．1msec，如圖9C和9D所示。
因而，如果切換部分12的占空比在信號s9’和sA’被加到其上時是100％，則切換部分12’的占空比在信號sB’和sC’被加到其上時是1％。這縮短了單個電源51a(或51b)與檢測器部分54的兩個壓電電阻元件44a和44b相連的時間。這種時間變?yōu)榫哂胁煌瑯O性的電源51a和51b分別與壓電電阻元件44a和44b相連的時間的1／100。
一個放大部分55’除了運(yùn)算放大器55a和電阻55b之外還有一個電容器55c。電容器55c是一個積分電容器，用于在切換部分12’以1％的占空比工作時消除來自輸出的交流成分。電容器55c的電容被適當(dāng)設(shè)定，以獲得足夠大的時間常數(shù)。
當(dāng)信號sB’和sC’被提供給切換部分12’時，檢測器部分54輸出具有高電平的一個脈沖信號。然而，來自放大部分55’的輸出電壓VB’和VC’的電平，通過使該信號通過包括電容器55c的放大部分55’，可被減小至與輸出電壓V9’和VA’的電平類似的電平。在此情況下，當(dāng)信號s9’至sC’被提供給切換部分12’時，電壓V9’至VC’是來自放大部分15的輸出電壓。
這使得可以增大A／D轉(zhuǎn)換的分辨率，因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換器16可始終對具有類似電平的信號(V9’至VC’)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，而不論直流電源51a和51b與壓電電阻元件44a和44b之間的連接狀態(tài)如何。
當(dāng)信號sB’和sC’被輸出時，CPU17’在把由一個A／D轉(zhuǎn)換的信號表示的電平恢復(fù)到原來的電平之后進(jìn)行算法處理。例如，當(dāng)在取樣時被A／D轉(zhuǎn)換器16A／D轉(zhuǎn)換的一個信號的電平是該信號的原來電平的1／100時，CPU17’在把由A／D轉(zhuǎn)換的信號表示的電平增大100倍時進(jìn)行算法處理。由于CPU17’在A／D轉(zhuǎn)換之后以這種方式進(jìn)行電平調(diào)節(jié)的同時進(jìn)行算法處理，所以能夠獲得正確的處理結(jié)果。
在上述實(shí)施例中，具有積分元件的電路可被加到放大部分55’與A／D轉(zhuǎn)換器16之間，來代替電容器55c。另外，切換部分12’的占空比不限于1％，而是只要是1／n(n＞1)就行。
(第五實(shí)施例)在圖4顯示的檢測器信號處理電路中，由于放大部分15的運(yùn)算放大器15a的輸入阻抗實(shí)際上不是無限的，加到運(yùn)算放大器15a上的一個直流偏壓從倒相輸入端(-)泄漏到了電容器34a與34b的節(jié)點(diǎn)34c上。
然而，由于節(jié)點(diǎn)34c被檢測器部分34的電容器34a和34b和放大部分15的電容器15b以直流的方式與外部直流電流相分隔，節(jié)點(diǎn)34c的電壓由于泄漏偏壓而逐漸上升。因此，來自檢測器部分34的輸出信號沒有被適當(dāng)輸入到運(yùn)算放大器15a的倒相輸入端(-)，不能獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。必須通過把一個直流偏壓補(bǔ)償電阻與電容器15a并聯(lián)到放大部分15上，使泄漏偏壓逃脫到外界。
圖10顯示了在圖4顯示的檢測器信號處理電路的放大器部分中具有這種直流偏壓補(bǔ)償電阻電路。參見圖10，具有電阻Rf的直流偏壓補(bǔ)償電阻15c與電容器15b并聯(lián)地被連接在放大部分15’的輸入端和輸出端之間。圖10中與圖4中相同的標(biāo)號表示相同的部分，并省略了相應(yīng)的描述。
在本實(shí)施例的檢測器信號處理電路中，通過象圖4顯示的檢測器信號處理電路中那樣采用第四象限比值量度方法，也可以從測量結(jié)果中消除基于電路的誤差。
如表2所示，當(dāng)用于控制開關(guān)12a至12d的操作的信號s5至s8被提供給切換部分12’時，來自放大部分15’的輸出電壓V51至V81由以下公式給出V51=γ(C1Vi1+C2Vi2)+δ1…(41)V61=γ(C1Vi2+C2Vi1)+δ1…(42)V71=γ(C1Vi1+C2Vi1)+δ1…(43)V81=γ(C1Vi2+C2Vi2)+δ1…(44)在此情況下，γ=-jωRf／(1+jωCfRf)…(45)其中ω是從交流電源11a和11b來的輸出電壓V11和V12的角頻率，且δ1是電路的偏移誤差。
如果從公式(41)至(44)計(jì)算出(V51-V61)／(V71-V81)且公式(14)被代入以考慮電壓變化，則(V51-V61)／(V71-V81)=(C1-C2)／(C1+C2)(=K2) …(46)其中具有電阻Rf的直流偏壓補(bǔ)償電阻15c被插入，使由于偏移和電壓變化引起的基于電路的誤差能夠得到消除，而沒有直流偏壓補(bǔ)償電阻15c的影響，并能夠獲得公式(23)。結(jié)果，能夠獲得其中由于溫度改變的基于元件的誤差通過公式(23)而得到消除的測量結(jié)果。
(第六實(shí)施例)如果圖2所示的電容式壓力檢測器是一種壓力計(jì)，檢測器部分34的電容腔23經(jīng)過一個通氣孔(未顯示)而與外殼的外界向連通。因此，灰塵和水份從外殼之外進(jìn)入電容腔23，并形成與電容器34a和34b并聯(lián)的寄生電阻，從而產(chǎn)生誤差。
圖11顯示了用于通過同步探測而消除這種寄生電阻的影響的一種檢測器信號處理電路。圖11的檢測器信號處理電路是通過在圖4顯示的電路上加一個同步探測部分60而獲得的。
參見圖11，由于灰塵等而分別具有電阻R1和R2的寄生電阻34d和34e在檢測器部分34’的電容器34a和34b處產(chǎn)生。設(shè)來自電源部分11的交流電源1a和11b的輸出電壓Vi1和Vi2由以下公式給出Vi1=Asin(ωt)，Vi2=Bsin(ωt) (47)同步探測部分60包括一個同步信號發(fā)生電路61、開關(guān)62、積分電路63a和63b、以及差分放大器64。同步信號發(fā)生電路61與電源部分11的交流電源11a的輸出端相連，以監(jiān)測來自交流電源11a的輸出電壓Vi1，并在電壓Vi1每次變成一個預(yù)定電壓時輸出一個同步信號65。更具體地說，每當(dāng)電壓Vi1變?yōu)?或最大或最小值時，同步信號65得到輸出。
開關(guān)62有一個可移動觸頭和兩個固定觸頭。在這些觸頭中，移動觸頭與放大部分15的輸出端相連，且固定觸頭與積分電路63a和63b的輸入端相連。開關(guān)62根據(jù)從同步信號發(fā)生電路61輸出的同步信號65在移動和固定觸頭之間切換連接。積分電路63a和63b獲得了輸入信號的積分并將其輸出。
差分放大器64的非倒相輸入端(+)、倒相輸入端(-)和輸出端分別與積分電路63a、積分電路63b和A／D轉(zhuǎn)換器16相連。
寄生電阻34d和34e可通過同步探測而得到消除。這將結(jié)合圖12描述。圖12顯示電流圖11的檢測器信號處理電路的基本設(shè)置。
參見圖12，來自交流電源11x的輸出電壓Vix對應(yīng)于來自圖11中的交流電源11a和11b的輸出電壓Vi1和Vi2。電容器34x的電容Cx對應(yīng)于圖1中的電容器34a和34的電容C1和C2。并聯(lián)電阻34y的電阻Rv對應(yīng)于圖11中的并聯(lián)電阻34d和34e。一個積分電路63x對應(yīng)于圖11中的積分電路63a和63b。設(shè)Ve是來自積分電路63x的輸出電壓。
在此設(shè)置中，如果來自交流電源11x的輸出電壓Vix為Vix=Asin(ωt) …(48)則來自放大部分15的輸出電壓V0由以下公式給出Vo=ACfRyω1+(CxRyω)2·sin(ωt+arctan(-1CxRyω))---(49)]]>
考慮其中公式(49)給出的電壓V0受到相對于電壓Vix有時間差△t的同步探測的情況。在此情況下，同步探測是在電壓Vix的周期的1／2間隔中與來自交流電源11x的輸出電壓Vix同步地從放大部分15獲得輸出電壓V0的積分的操作。在此情況下，由于電壓V0的同步探測是以相對于電壓Vix的時間差△t而進(jìn)行的，一個開關(guān)62’在△t至1／2f+△t的時期中保持放大部分15與積分電路63x的連接，其中f是電壓Vix的頻率并具有以下關(guān)系ω=2πf …(50)在此情況下，來自積分電路63x的輸出電壓Vx由以下公式給出Vx=2f∫Δt1/2f+ΔtVodt---(51)]]>如果公式(51)得解，則獲得公式(52a)或(52b)。Vx=2Acos(2πfΔt)πCf(Cx+12πfRytan(2πfΔt))---(52a)]]>Vx=Asin(2πfΔt)πf2Cf(2πfCxtan(πs-2πfΔt)+1Ry)---(52b)]]>如果同步探測與來自交流電源11x的輸出電壓Vix同相地進(jìn)行，△t=0至公式(52a)的代入給出Vx=2ACx／(πCf) (53)如從公式(53)可見，由于消除了并聯(lián)電阻34y的電阻Ry，電容器34x的電容Cx能夠在不受并聯(lián)電阻34y影響的情況下得到測量。
為了與電壓Vix同相地進(jìn)行同步探測，同步信號發(fā)生電路61被適當(dāng)設(shè)定，以在電壓Vi1每次變?yōu)?時輸出同步信號65，且電壓V0在電壓Vi1變?yōu)?的時刻與它隨后變?yōu)?的時刻之間的間隔中得到積分。
如果與電壓Vix相位延遲90°地進(jìn)行同步探測，把△t=1／(4f)代入公式(52b)給出Vx=A／(πf2CfRy) (54)
從公式(54)可見由于電容器34x的電容Cx被消除，并聯(lián)電阻34y的電阻Rv可在不受電容器34x影響的情況下得到測量。
當(dāng)與電壓Vix成90°相位延遲地進(jìn)行同步探測時，同步信號發(fā)生電路61被適當(dāng)設(shè)定，以在Vi1每次為最大或最小值時輸出同步信號65，電壓V0在電壓Vi1變?yōu)樽畲笾?或最小值)的時刻與它變?yōu)樽钚≈?或最大值)的時間之間的間隔中得到積分。
參見圖11，在該檢測器信號處理電路中，來自放大部分15的輸出電壓V00以來自交流電源11a的輸出電壓Vi1的周期的一半的間隔被交替地輸出到兩個積分電路63a和63b。被積分電路63a和63b積分的電壓Vx因而具有相反的極性。然而，由于差分放大器64把來自積分電路63b的輸出電壓Vx的極性倒相，差分放大器64輸出了具有一種極性的電壓。即，放大部分15的輸出電壓V0是通過差分放大器64的開關(guān)62所AC／DC轉(zhuǎn)換的。
在上述實(shí)施例中，兩個積分電路63a和63b與差分放大器64的輸入級相連。然而，一個積分電路可與差分放大器64的輸出級相連。另外，同步探測部分60的所有功能或除了同步信號發(fā)生電路61的功能以外的功能可由一個CPU17實(shí)施。
如結(jié)合圖12所描述的，寄生電阻34d和34e在檢測器部分34’的電容器34a和34b處產(chǎn)生的影響可通過同步探測而得到消除。圖11所示的檢測器信號處理電路因而能夠通過采用第四象限比值量度方法而消除諸如偏移的基于電路的誤差，如將要在后面描述的。
以下首先描述一種情況，其中與來自交流電源11a的輸出電壓Vi1同相地進(jìn)行同步探測。
如表2所示，當(dāng)來自CPU17的控制信號18(信號s5至s8)被提供給切換部分12’時來自放大部分15’的輸出電壓V52至V82由以下公式給出V52=(2／πCf)×(AC1+BC2)+δ2…(55)V62=(2／πCf)×(BC1+AC2)+δ2…(56)
V72=(2／πCf)×(AC1+AC2)+δ2…(57)V82=(2／πCf)×(BC1+BC2)+δ2…(58)其中δ2是電路中的偏移誤差。在公式(55)至(58)中，考慮了交流電源11a和11b的輸出電壓Vi1至V2中的變化。
如果(V52-V62)／(V72-V82)是從公式(55)至(58)計(jì)算的，則(V52-V62)／(V72-V82)=(C1-C2)／(C1+C2)(=K2)如上所述，即使寄生電阻34d和34e是在檢測器部分34’中產(chǎn)生的，由于偏移、電壓變化等產(chǎn)生的基于電路的誤差也能夠得到消除，而不受寄生電阻的任何影響，且公式(23)能夠被獲得。結(jié)果，由于溫度改變產(chǎn)生的基于元件的誤差能夠借助公式(23)而從測量結(jié)果中消除，從而能夠獲得準(zhǔn)確的高精度的壓力。
以下描述其中與來自交流電源11a的輸出電壓Vi1相位延遲90°地進(jìn)行同步探測的情況。
來自放大部分15’的輸出電壓V53至V83，當(dāng)信號s5至s8被提供給切換部分12時，由以下公式給出V53=(1／πf2Cf)×(A／R1+B／R2)+δ2…(60)V63=(1／πf2Cf)×(B／R1+A／R2)+δ2…(61)V73=(1／πf2Cf)×(A／R1+A／R2)+δ2…(62)V83=(1／πf2Cf)×(B／R1+B／R2)+δ2…(63)在公式(60)至(63)中，也考慮了來自交流電源11a和11b的輸出電壓Vi1和Vi2。
如果(V53-V63)／(V73=V83)是從公式(60)至(63)計(jì)算的，則(V53-V63)／(V73-V83)=(-R1+R2)／(R1+R2)…(64)以此方式，可在不受電容器34a和34b的電容C1和C2和基于電路的誤差的影響的情況下，獲得只由并聯(lián)電阻34d和34e的電阻R1和R2構(gòu)成的值((-R1+R2)／(R1+R2))。寄生電阻R1和R2的幅度可從該值知道。
雖然沒有詳細(xì)描述，當(dāng)圖11中的檢測器信號處理電路采用一個電阻(未顯示)代替放大部分15的電容器15b時，通過與來自交流電源11a的輸出電壓Vi1同相的同步探測，可獲得不受電容器34a和34b的電容C1和C2等的任何影響的(-R1+R2)／(R1+R2)。另外，通過進(jìn)行相位延遲90°的同步探測，能夠獲得不受并聯(lián)電阻34d和34e的電阻R1和R2的任何影響的(C1-C2)／(C1+C2)。
(第七實(shí)施例)根據(jù)圖11顯示的檢測器信號處理電路，在電容器34a和34b處產(chǎn)生的并聯(lián)電阻34d和34e的影響可通過同步探測消除。但在實(shí)際的電路中，如圖10所示，一個直流偏壓補(bǔ)償電阻15c必須與放大部分15的電容器15b并聯(lián)。
然而，該直流偏壓補(bǔ)償電阻15c改變了來自放大部分15的輸出電壓V0的相位，因而不能僅借助與圖11中的檢測器信號處理電路相同的同步探測來消除并聯(lián)電阻34d和34e的影響。以下描述一種檢測器信號處理電路，它即使在直流偏壓補(bǔ)償電阻15c與放大部分15相連的情況下也能夠消除并聯(lián)電阻34d和34e的影響。
圖13顯示了解決上述問題的檢測器信號處理電路。該檢測器信號處理電路是通過把一個移相器70加到圖11的檢測器信號處理電路而獲得的。移相器70被插入到放大部分15’的輸出端與開關(guān)62的輸入端之間。
移相器70具有補(bǔ)償直流偏壓補(bǔ)償電阻15c產(chǎn)生的相移的相移量。作為移相器70，可采用例如帶通濾波器(BPF)或全通濾波器(APF)。
以下描述移相器70的一種設(shè)計(jì)方法。
圖14顯示了圖15中的檢測器信號處理電路的一種基本設(shè)置。在圖14中與圖12中相同的標(biāo)號表示相同的部分，并省略了相應(yīng)的描述。參見圖14，假定檢測器部分34’沒有寄生電阻34y，來自放大部分15’的輸出電壓V0，當(dāng)來自交流電源11x的輸出電壓Vix由公式(48)表示時，由以下公式表示Vo=ACxRfω1+(CfRfω)2sin(ωt+arctan(1CfRfω))---(65)]]>如公式(65)所示，當(dāng)在檢測器部分34’中不產(chǎn)生寄生電阻34y時，一個相移arctan(1／CfRfω)由直流偏壓補(bǔ)償電阻15c產(chǎn)生。通過把移相器70的相位量設(shè)定為arctan(1／CfRfω)，直流偏壓補(bǔ)償電阻15c產(chǎn)生的相移可得到補(bǔ)償。
以下描述一個BPF被用作移相器70的情況。該BPF是只讓具有一定頻率范圍內(nèi)的頻率的信號通過并衰減具有其他頻率的信號的濾波器。
該BPF的傳送函數(shù)A1(S)由以下公式表示A1(s)=Kp(Wp／Qp)s／[s2+(Wp／Qp)s+Wp2] …(66)其中Wp是代表一個幅度特性的峰值的頻率，Qp是表示該幅度特性的陡度的量，且Kp是表示整個幅度特性的幅度的一個量。
由于通過把s=jω代入公式(66)而獲得的公式的虛部表示一個相移，BPF產(chǎn)生了一個相移arctan{Qp(-ω／Wp+Wp／ω)}。
為了設(shè)定BPF的相移量以根據(jù)直流偏壓補(bǔ)償電阻15c補(bǔ)償該相移，可設(shè)計(jì)一個BPF，它滿足以下關(guān)系Qp(-ω／Wp+Wp／ω)=-1／CfRfω …(67)如果公式(67)被解，可獲得公式(68)Wp=-1+1+(2QpCfRfω)22QpCfRf---(68)]]>由于基于直流偏壓補(bǔ)償電阻15c的相移可通過設(shè)計(jì)具有公式(68)表示的頻率Wp的BPF而得到補(bǔ)償，可在不受檢測器部分34’產(chǎn)生的寄生電阻34y的影響的情況下進(jìn)行測量。
作為檢測器元件的電容器34x的電容Cx是否能夠在不受檢測器部分34’產(chǎn)生的寄生電阻34y的影響下進(jìn)行測量將得到檢查。設(shè)移相器70具有由圖14中的公式(68)表示的特性。當(dāng)來自交流電源11x的輸出電壓Vix由公式(48)表示時，來自移相器70的輸出電壓V0’由以下公式給出Vo′=AKpCfRf2ω1+(CxRyω)2Ry(1+(CfRfω)2)sin(ωt-arctan(1CxRtω))---(69)]]>隨后，與電壓Vix同相地進(jìn)行由公式(69)給出的電壓V0’的同步探測。此時，來自一個積分電路63x的輸出電壓Vx由以下公式給出Vx=ζACx…(70)在此情況下ζ=8πf2KpCfRf2／{1+(2πfCfRf)2} …(71)如從公式(70)和(71)可見，由于并聯(lián)電阻34y的電阻Ry被消除，電容器34x的電容Cx可在不受寄生電阻34y的影響的情況下得到測量。
如上所述，即使為放大部分15’提供了直流偏壓補(bǔ)償電阻15c，也可通過插入移相器70并進(jìn)行同步探測，消除在檢測器部分34’中產(chǎn)生的寄生電阻34d和34e的影響。圖13顯示的檢測器信號處理電路因而能夠通過采用第四象限比值量度方法而消除諸如偏移的基于電路的誤差。
當(dāng)要與來自交流電源11a的輸出電壓Vi1同相地進(jìn)行同步探測時，當(dāng)用于控制開關(guān)12a至12d的操作的信號s5至s8被提供給切換部分12’時，來自同步探測部分60的輸出電壓V54至V84可由以下公式給出V54=ζ(AC1+BC2)+δ3…(72)V64=ζ(BC1+AC2)+δ3…(73)
V74=ζ(AC1+AC2)+δ3…(74)V84=ζ(BC1+BC2)+δ3…(75)其中δ3是電路中的偏移誤差。注意在公式(72)至(75)中，考慮到了來自交流電源11a和11b的輸出電壓Vi1和Vi2中的變化。
如果(V54-V64)／(V74-V84)是從公式(72)至(75)計(jì)算出的，則(V54-V64)／(V74-V84)=(C1-C2)／(C1+C2)(=K2) (76)如上所述，即使當(dāng)直流偏壓補(bǔ)償電阻15c被提供給了放大部分15’時在檢測器部分34’中產(chǎn)生了寄生電阻34d和34e，也可以在不受寄生電阻的影響的情況下消除由于偏移和電壓變化產(chǎn)生的誤差，且能夠獲得公式(23)。結(jié)果，由于能夠根據(jù)公式(23)從測量結(jié)果中消除溫度改變所產(chǎn)生的基于元件的誤差，能夠獲得準(zhǔn)確的高精度的壓力值。
以下描述其中全通濾波器被用作移相器70的情況。該全通濾波器是用于使所有頻率范圍中的信號通過并只改變它們的相位的濾波器。
全通濾波器的傳送函數(shù)A2(s)表示為A2(s)=(s-Wp)／(s+Wp) …(77)結(jié)果，該全通濾波器產(chǎn)生了相移arctan{2ωWp／(ω2-Wp2)}。
因此2ωWp／(ω2-Wp2)=-1／CfRfω…(78)即，通過設(shè)計(jì)具有關(guān)系Wp=CfRfω2+ω[1+(CfRfω)2]1／2…(79)的全通濾波器，直流偏壓補(bǔ)償電阻15c產(chǎn)生的相移能夠得到補(bǔ)償。這使得可以在沒有檢測器部分34’中產(chǎn)生的寄生電阻34y的任何影響的情況下進(jìn)行測量。
作為檢測器元件的電容器34x的電容Cx是否能夠在不受檢測器部分34’中產(chǎn)生的寄生電阻34y的影響的情況下得到測量，得到了檢查。設(shè)移相器70具有圖14中的公式(79)表示的特性。當(dāng)來自交流電源11x的輸出電壓Vix由公式(48)表示時，來自移相器70的輸出電壓V0’由以下公式給出Vo′=ARfRy1+(CxRyω)21+(CfRfω)2sin(ωt-arctan(1CxRyω))---(80)]]>隨后，與電壓Vix同相地進(jìn)行公式(80)表示的電壓V0’的同步探測。此時，來自積分電路63x的輸出電壓Vx由以下公式給出Vx=ηACx…(81)在此情況下，η=4fRf／{1+(2πfCfRf)2}1／2…(82)顯然，由于并聯(lián)電阻34y的電阻Rr在公式(81)和(82)中被消除了，電容器34x的電容Cx可在不受寄生電阻34y的影響的情況下得到測量。
以下描述圖13中的檢測器信號處理電路采用的第四象限比值量度方法。
當(dāng)要與來自交流電源11a的輸出電壓Vi1同相地進(jìn)行同步探測時，當(dāng)信號s5至s8被提供給切換部分12’時來自同步探測部分60的輸出電壓V55至V85由以下公式給出V55=η(AC1+BC2)+δ4…(83)V65=η(BC1+AC2)+δ4…(84)V75=η(AC1+AC2)+δ4…(85)V85=η(BC1+BC2)+δ4…(86)其中δ4是電路中的偏移誤差。
從公式(83)至(86)，可獲得公式(87)。
(V55-V65)／(V75-V85)=(C1-C2)／(C1+C2)(=K2)…(87)
即使當(dāng)以此方式利用一個全通濾波器形成移相器70時，基于電路的誤差和基于元件的誤差可象在BPF的情況下那樣在不受寄生電阻34y的影響的情況下得到消除。
第五至第七實(shí)施例中的每一個都示例性地顯示了用于探測從兩個方向施加的壓力之間的差的電容式壓力檢測器。然而，本發(fā)明也可被用于用來探測從一個方向施加的壓力的電容式壓力檢測器。在此情況下，象在圖1顯示的檢測器信號處理電路中那樣，切換部分12的開關(guān)12a至12d以表1中表示的方式得到通-斷控制。
(第八實(shí)施例)在第一實(shí)施例中，描述了在具有圖1的檢測器部分14的電容式壓力檢測器中通過采用以下的計(jì)算1)獲得-△d／d的方法。然而，計(jì)算-△d／d的方法不限于此，且-δd／d可利用以下的計(jì)算2)至4)中的一種來獲得。
1) [Cs-Cr]／[Cs]=-△d／d2) 1-[Cr]／[Cs]=-△d／d3) 1-1／([Cs-Cr]／[Cr]+1)=-△d／d4) 2-2／([Cs-Cr]／[Cs+Cr]+1)=-△d／d在此情況下，“[]”中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)。
以下描述計(jì)算2)至4)。
首先描述計(jì)算2)。
圖15顯示了用于進(jìn)行這種計(jì)算的檢測器信號處理電路。在圖15中與圖1中相同的標(biāo)號表示相同的部分，并省略了相應(yīng)的描述。圖15中顯示的檢測器信號處理電路采用了除了開關(guān)12a至12e之外還具有用于連接檢測器電容器14a的輸入端至地的開關(guān)12f的切換部分12″。
為了進(jìn)行計(jì)算2)，CPU17以表3表示的方式依次輸出信號s11至s41，作為對切換部分12″的開關(guān)12至12f進(jìn)行通-斷控制的控制信號18。在此情況下，緩存器13a的非倒相輸入端(+)，通過利用信號s11和s21導(dǎo)通開關(guān)12f，而與地相連。這防止了緩存器13a的非倒相輸入端(+)的浮動。類似地，一個緩存器13b的非倒相輸入端(+)可通過利用信號s31和s41而導(dǎo)通開關(guān)12e而被防止浮動。
表3
以下是當(dāng)信號s11至s41由于考慮到緩存器13a和13b和運(yùn)算放大器15a的偏移引起的誤差e1至e3而被提供給切換部分12″時來自放大部分15的輸出電壓V11至V41。
V11=-Cr(Vi1+e2)／Cf+e3…(88)V21=-Cr(Vi2+e2)／Cf+e3…(89)V31=-Cs(Vi1+e1)／Cf+e3…(90)V41=-Cs(Vi2+e1)／Cf+e3…(91)如果從公式(88)至(91)計(jì)算出1-(V11-V21)／(V31-V41)，則1-{(V11-V21)／(V31-V41)}=1-[Cr]／[Cs]=-△d／d…(92)因此，-△d／d可通過計(jì)算2)而獲得。
在此情況下，象在計(jì)算1)的情況中那樣，由于偏移和電壓變化產(chǎn)生的基于電路的誤差被消除了。
以下描述計(jì)算3)。
為了進(jìn)行計(jì)算3)，CPU17以表4表示的方式依次輸出信號s12至s42，作為對切換部分12″的開關(guān)12a至12f進(jìn)行通-斷控制的控制信號18。在此情況下，由于交流電源11a和11b之一始終與緩存器13b的非倒相輸入端(+)相連，開關(guān)12e是不需要的。
表4
以下是當(dāng)考慮到由于運(yùn)算放大器15a和緩存器13a和13b的偏移引起的誤差e1至e3而把信號s12至42提供給切換部分12″時來自放大部分15的輸出電壓V12至42。
V12=-[Cs(Vi1+e1)+Cr(Vi2+e2)]／Cf+e3…(93)V22=-[Cs(Vi2+e1)+Cr(Vi2+e2)]／Cf+e3…(94)V32=-Cr(Vi1+e2)／Cf+e3…(95)V42=-Cr(Vi2+e2)／Cf+e3…(96)如果從公式(93)至(96)計(jì)算出了1-1／(V12-V22)／(V32-V42)+1，則1-1／{(V12-V22)／(V32-V42)+1}=1-1／([Cs-Cr]／[Cr]+1)=-△d／d …(97)因此，-△d／d可借助計(jì)算3)而獲得。
在此情況下，由于偏移和電壓變化引起的基于電路的誤差得到消除。
以下描述計(jì)算4)。
為了進(jìn)行計(jì)算4)，CPU17以表5表示的方式依次輸出信號s13至s43，作為對切換部分12″的開關(guān)12a至12f進(jìn)行通-斷控制的控制信號18。在此情況下，由于交流電源11a和11b之一始終與緩存器13a和13b的非倒相輸入端(+)相連，不需要開關(guān)12e和12f。
表5
以下是當(dāng)考慮到由于運(yùn)算放大器15a和緩存器13a和13b的偏移產(chǎn)生的誤差e1至e3而把信號s13至s43提供給切換部分12″時來自放大部分15的輸出電壓V13至V43。
V13=-[Cs(Vi1+e1)+Cr(Vi2+e2)]／Cf+e3…(98)V23=-[Cs(Vi2+e1)+Cr(Vi1+e2)]／Cf+e3…(99)V33=-[Cs(Vi1+e1)+Cr(Vi1+e2)]／Cf+e3…(100)V43=-[Cs(Vi2+e1)+Cr(Vi2+e2)]／Cf+e3…(101)如果從公式(98)至(101)計(jì)算出了2-2／(V13-V23)／(V33-V43)+1，則2-2／{(V13-V23)／(V33-V43)+1}=2-2／([Cs-Cr]／[Cs+Cr]+1)=-△d／d …(102)因此，-△d／d可通過計(jì)算4)而得到。
在此情況下，偏移和電壓變化引起的基于電路的誤差得到消除。
雖然在理論上可借助計(jì)算1)至4)獲得相同的結(jié)果，在實(shí)際結(jié)果之間有某些不同。
檢測器電容器14a的電容Cs主要隨著壓力P的改變而改變。與此相對比，基準(zhǔn)電容14b的電容Cr不隨著壓力P的改變而改變，且只受溫度、濕度等的影響。在此情況下，壓力P的變化比溫度濕度等快得多。因此，隨著壓力P的改變而改變的電容Cs始終都要測量。然而，不隨著壓力P的改變而改變的電容Cr不需要始終得到測量。
在計(jì)算1)和4)中，所有四個象限(公式(8)至(11)公式(98)至(101))中的測量包括了電容Cs，因而必須始終進(jìn)行。
與此相對比，在計(jì)算2)和3)中，在四個象限中的兩個象限(公式(88)和(89)、公式(95)和(96))不包括電容Cs。因此，如果在包括電容Cs的兩個象限(公式(90)和91)，公式(93)和94))中始終進(jìn)行測量就足夠了，而在不包括電容Cs的兩個象限中只要不時地測量就行。
另外，計(jì)算1)至4)的A／D轉(zhuǎn)換中的量化誤差之間有所不同。雖然沒有詳細(xì)描述，計(jì)算的等級，按照量化噪聲從最高至最低的順序，是3)、4)、1)和2)。
在上述的每一個實(shí)施例中，本發(fā)明被用于壓力檢測器。然而，本發(fā)明也可被應(yīng)用于對諸如溫度、濕度、位移、改變量、和加速度的物理量進(jìn)行測量的檢測器。
在上述的每一個實(shí)施例中，檢測器部分以外的部分，例如同步探測部分60(圖11和13)和同步信號發(fā)生電路61(圖12和14)可用固件來形成。在此情況下，CPU17可進(jìn)行同步探測處理和同步信號發(fā)生處理。
如上面已經(jīng)描述的，根據(jù)本發(fā)明，來自兩個系統(tǒng)的電源的輸出被切換和施加至檢測器部分，且獲得了對每一個切換操作從檢測器部分輸出的多個信號之間的差之間的比值。這使得可以獲得從中消除了基于電路的誤差和基于元件的誤差的測量結(jié)果，從而改善檢測器的測量精度。
如果檢測器部分是通過采用基于電抗的檢測器消除形成的且電源部分包括兩個系統(tǒng)的交流電源，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可被應(yīng)用于電容型檢測器和電感型檢測器。如果檢測器部分是利用基于電阻的檢測器消除形成的且電源部分包括兩個系統(tǒng)的直流電源，所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)可被用于電阻型檢測器。
另外，除了當(dāng)具有不同極性的電源與兩個檢測器元件相連時之外，切換部分的占空比被減小，以縮短電源與檢測器部分相連的時間，且檢測器部分的輸出在通過積分裝置之后被提供給A／D轉(zhuǎn)換器，從而減小A／D轉(zhuǎn)換器的輸入電平。這使得能夠得到高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換，而不論電源與檢測器消除之間的連接狀態(tài)如何，因而可以獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
進(jìn)一步地，由于來自檢測器部分的輸出信號與來自一個電源的輸出同步地在一個預(yù)定的間隔中得到積分，即使在基于電阻的檢測器消除中產(chǎn)生的一個并聯(lián)電阻，一個并聯(lián)電阻分量也能夠得到消除。因此，通過對經(jīng)過對來自檢測器部分的輸出信號以上述方式進(jìn)行積分而獲得的信號進(jìn)行算法處理，能夠獲得消除了基于電路的誤差和基于元件的誤差的測量結(jié)果。這使得可以改善檢測器的測量精度。
另外，放大部分具有把輸入端連接到放大部分的輸出端的電阻，且用于補(bǔ)償該電阻造成的相移的一個相移部分與放大部分的輸出級相連。在此設(shè)置中，從相移部分的一個輸出信號得到積分。借助這種操作，即使在基于電抗的檢測器元件中產(chǎn)生了寄生電阻，寄生電阻分量也能夠得到消除。
權(quán)利要求
1．一種檢測器信號處理設(shè)備，其特征在于包括檢測器裝置(14，34，34’，54)，其特性隨著所要測量的物理量的改變而改變；電源裝置(11，51)，用于向所述檢測器裝置提供具有不同的極性的兩個系統(tǒng)的電力；切換裝置(12，12’，12″)，它被連接在所述電源裝置與所述檢測器裝置之間，用于在防止兩個系統(tǒng)的電力的混合的同時切換來自所述電源裝置的兩個系統(tǒng)的電力的組合；以及算法裝置(17，17’)，用于對所述切換裝置的每一個切換操作獲得從所述檢測器裝置輸出的多個信號之間的差之間的比值。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，所述檢測器裝置包括兩個檢測器元件，所述切換裝置依次切換來自所述電源裝置的兩個系統(tǒng)的電力與所述檢測器元件之間的連接的四種組合，且所述算法裝置獲得從所述檢測器元件輸出的第一至第四信號的第一和第二信號之間的第一個差，以及第三和第四信號之間的第二差，并隨后對所述切換裝置的每一個切換操作獲得該第一和第二差的比值。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括放大器裝置(15，15’，55，55’)，用于放大來自所述檢測器裝置的輸出信號并把該信號輸出至所述算法裝置。
4．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述檢測器裝置包括一個基于電抗的檢測器元件(14a，14b)，且所述電源裝置包括兩個系統(tǒng)的交流電源(11a，11b)。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，進(jìn)一步包括同步探測裝置(60)，用于獲得所述檢測器裝置的一個輸出信號在來自所述電源裝置的所述交流電源之一的一個交流分量的一個周期中的積分值并把該積分值輸出到所述算法裝置。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述同步探測裝置包括同步信號輸出裝置，用于探測來自所述電源裝置的所述交流電源之一的一個交流分量變?yōu)?并輸出一個同步信號(56)給所述算法裝置。
7．根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述設(shè)備進(jìn)一步包括相移裝置(70)，用于對來自所述檢測器裝置的一個輸出信號進(jìn)行相移并將該信號輸出至所述同步探測裝置，所述放大裝置包括一個運(yùn)算放大器和連接在所述運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端之間的一個電阻(15c)，且所述相移裝置的相移量被設(shè)定以補(bǔ)償該電阻產(chǎn)生的相移量。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述檢測器裝置包括一個基于電阻的檢測器元件(44a，44b)，且所述電源裝置包括具有不同的極性的兩個系統(tǒng)的直流電源(51a，51b)。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述檢測器裝置包括至少兩個檢測器元件，且所述切換裝置被設(shè)定以使其中電力被從所述電源裝置的所述直流電源之一共同提供至所述兩個檢測器元件的工作時間與其中電力被從所述電源裝置的所述兩個直流電源分別提供給所述兩個檢測器元件的工作時間的比值變?yōu)?／n(n＞1)。
10．根據(jù)權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述設(shè)備進(jìn)一步包括積分裝置(55c)，用于對來自所述檢測器裝置的一個輸出信號進(jìn)行積分，以及模擬-數(shù)字(A／D)轉(zhuǎn)換裝置(16)，用于對來自所述積分裝置的一個輸出進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換；且所述算法裝置通過在電力從所述電源裝置的所述直流電源之一被共同提供給所述兩個檢測器元件時用n乘來自所述A／D轉(zhuǎn)換裝置的一個輸出，而進(jìn)行算法處理。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述檢測器裝置包括一個第一檢測器元件(14a，34a，44a)，其特性根據(jù)所要測量的物理量的改變而改變，以及一個第二檢測器元件(14b，34b，44b)，它呈現(xiàn)恒定的特性而不論所要測量的物理量的改變?nèi)绾巍?br> 12．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述檢測器裝置包括一個第一檢測器元件(25a)，其特性根據(jù)所要測量的第一和第二物理量之間的差而改變，以及一個第二檢測器元件(25b)，其特性根據(jù)所要測量的第一和第二物理量之間的差而沿著與所述第一檢測器元件的方向相反的方向進(jìn)行改變。
13．根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述切換裝置包括由一個2輸入／2輸出橋式電路構(gòu)成的第一至第四開關(guān)(12a-12d)。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的設(shè)備，其中所述切換裝置包括一個第五開關(guān)(12e)，用于把所述橋式電路的兩個輸出之一接地。
15．根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述算法裝置通過把一個控制信號(18)輸出至所述切換裝置而進(jìn)行切換操作，并每當(dāng)輸出一個控制信號時進(jìn)行算法處理，且所述切換裝置根據(jù)來自所述算法裝置的一個控制信號依次進(jìn)行切換操作。
全文摘要
一種檢測器信號處理設(shè)備包括檢測器部分、電源部分、切換部分和CPU。該檢測器部分的特性根據(jù)所要測量的物理量的改變而改變。該電源部分向檢測器部分提供具有不同極性的兩個系統(tǒng)的電力。該切換部分被連接在該電源部分和該檢測器部分之間,以在防止兩個系統(tǒng)的電力的混合的同時切換來自電源部分的兩個系統(tǒng)的電力的組合。CPU在切換部分的每一個切換操作中獲得來自檢測器部分的多個信號輸出之間的差之間的比值。
文檔編號G01L9/00GK1291715SQ0012194
公開日2001年4月18日 申請日期2000年7月26日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月26日
發(fā)明者增田譽(yù), 吉川康秀 申請人:株式會社山武