一种高精度压差测量装置及方法与流程

本发明涉及压差测量，尤其涉及一种基于mems数字压力传感器反向并联的高精度压差测量装置及测量方法。

背景技术：

1、压差测量是暖通空调（hvac）系统风量监测、过滤器堵塞状态监测、半导体洁净室压差控制及工业微压检测等领域的关键环节。上述场景中，待测压差通常处于帕级乃至亚帕级的微压差区间，且测量现场普遍存在温度波动、电磁干扰、电源噪声等环境因素，因此对压差测量装置的测量精度与抗干扰能力提出了较高要求。

2、目前，压差测量装置普遍采用mems数字压力传感器作为核心敏感元件，其系统拓扑多为单传感器方案或双传感器正向并联方案。然而，申请人在实践中发现，上述传统拓扑在微压差、高精度测量场景下存在以下技术缺陷：

3、其一，零点漂移问题突出。受环境温度变化、器件老化及电磁干扰等因素影响，传感器零点易发生偏移。在微压差测量场景下，待测压差本身仅为帕级甚至亚帕级，零点漂移量与待测信号处于同一数量级，漂移成分直接叠加于有效信号之上，导致测量结果严重失真。

4、其二，存在非线性误差。理想状态下，传感器的输出与输入呈严格线性关系；但实际应用中，受敏感元件材料特性、制造工艺离散性、环境温度及电路特性等因素影响，传感器输出中不可避免地含有以偶次项为主的非线性成分，使其输出无法完全贴合理想直线，在全量程范围内引入非线性误差。

5、其三，共模干扰抑制能力弱。测量现场的温度波动、电磁干扰、电源噪声等干扰对传感器的作用属于共模干扰，会直接叠加于传感器输出信号之中。在单传感器拓扑下，系统层面缺乏对共模干扰的抑制手段；在双传感器正向并联拓扑下，两传感器承受同向压差，其输出经平均处理虽可在一定程度上削弱互不相关的随机噪声，但对于零点漂移、共模干扰及非线性误差等系统性误差成分，因其在两路输出中同向存在，平均运算无法将其消除，测量精度仍然受限。

6、针对上述误差问题，现有技术中还采用在传感器外部增设差分放大电路、补偿电路，或在传感器内部设计差分补偿电路的方式进行误差修正。然而，申请人发现此类电路级补偿方案存在固有局限：一方面，外置模拟电路延长了模拟信号的传输路径，噪声引入点相应增多，且长线传输中的电缆电阻与分布电容会导致信号幅度衰减，补偿效果受限；另一方面，压力传感器的量程通常较大，其内部差分电路的增益配置与补偿参数需在全量程范围内折衷设计，即若追求全量程性能均衡，则低压段难以获得高精度；若侧重低压段性能，则会牺牲中高量程段的线性度与稳定性。因此，基于传感器电路层面的补偿方案难以满足全量程高精度测量的需求。

7、综上，如何在不改动传感器内部电路的前提下，从系统层面有效消除零点漂移、共模干扰及非线性误差对压差测量的影响，并在全量程范围内保持高精度测量，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明的主要目的在于提供一种高精度压差测量装置及方法，以解决现有压差测量装置中单传感器及正向并联拓扑存在的零点漂移、非线性误差及共模干扰抑制能力弱的问题，同时解决现有电路级补偿方案无法满足全量程高精度测量需求的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高精度压差测量装置，其包括：差压型mems数字压力传感器、信号采集模块、信号处理模块，其中：

3、所述传感器至少设置为两个，且均具有相互隔离的正、负压取样端口；

4、其中两个传感器之间的气路连接结构被配置为：将第一传感器的正压取样端口与第二传感器的负压取样端口汇接至待测压差的高压侧，并将所述第一传感器的负压取样端口与所述第二传感器的正压取样端口汇接至待测压差的低压侧，使两所述传感器承受同一待测压差且方向相反；

5、所述信号采集模块，分别与两个传感器的数字通信接口连接，同步采集两个传感器的输出信号p1、p2；

6、所述信号处理模块与所述信号采集模块连接，配置为对两路输出信号p1、p2执行差分运算，取得待测压差值。

7、在可能的优选实施方式中，所述第一传感器与所述第二传感器为同型号、同生产批次且同校准批次的传感器，二者的灵敏度、零点特性、温度系数及非线性参数高度匹配。

8、在可能的优选实施方式中，两个所述传感器的壳体紧密贴合固定，贴合界面填充有导热介质，使二者所处热场高度同步。

9、在可能的优选实施方式中，所述气路连接结构采用对称布局的流体导管构建。

10、在可能的优选实施方式中，所述信号采集模块通过i²c总线或spi总线与两个所述传感器通信，并采用定时器中断触发机制，在同一次定时器中断内，完成两个所述传感器输出信号的锁存。

11、在可能的优选实施方式中，所述信号处理模块还用于基于所述p1与所述p2的极性互验关系识别压差方向：当所述p1与所述p2异号时，依据二者的极性判定压差方向；当所述p1与所述p2同号时，保持输出历史压差方向。

12、在可能的优选实施方式中，所述信号处理模块还用于计算表征两个所述传感器输出对反向关系偏离程度的不平衡度，并基于预设的正常阈值与告警阈值执行三级状态诊断：

13、当d≤时，判定为正常状态，维持双通道差分融合输出；

14、当＜d≤时，判定为真实压差波动状态，并输出波动状态标识；

15、当d＞时，判定为单通道故障，并输出故障标识码。

16、在可能的优选实施方式中，所述信号处理模块还用于：在判定为单通道故障时，识别发生异常跳变的通道为故障通道，并自动切换至另一通道的输出，以保持压差测量的连续运行。

17、在可能的优选实施方式中，所述差压型mems数字压力传感器为热式、电容式或压阻式差压传感器中的任一。

18、在可能的优选实施方式中，所述装置还包括：电源模块，所述电源模块内置低压差线性稳压器及emi滤波电路，为两个所述传感器及各模块供电。

19、为了实现上述目的，对应上述装置，根据本发明的另一方面，还提供了一种高精度压差测量方法，其包括以下步骤：

20、将两个差压型mems数字压力传感器交叉反相取压连接：第一传感器的正压取样端口与第二传感器的负压取样端口汇接至待测压差的高压侧，第一传感器的负压取样端口与第二传感器的正压取样端口汇接至待测压差的低压侧，使两所述传感器承受同一待测压差且输出信号的极性相反；

21、同步采集所述第一传感器的输出信号p1和所述第二传感器的输出信号p2；

22、对所述p1与p2执行差分运算，输出待测压差值。

23、在可能的优选实施方式中，所述的高精度压差测量方法，步骤还包括：

24、基于所述p1与p2的极性互验关系识别压差方向，当二者异号时依据极性判定压差方向，当二者同号时保持输出历史压差方向；

25、计算不平衡度并与预设的多级阈值比较，以区分真实压差波动与单通道故障，并在判定单通道故障时切换至健康通道的输出。

26、通过本发明提供的该高精度压差测量装置及方法，构思上摒弃了传统压差计的单传感器或正向并联架构，也摒弃在传感器内部或外部增设模拟差分电路的补偿思路，转而从系统层面重构误差处理逻辑，即通过交叉反相取压的气路拓扑，使两个差压型mems数字压力传感器承受同一待测压差但方向相反，从而使两路输出中的有效压差信号呈反相（极性相反）、而零点漂移、共模干扰及偶次非线性项等误差成分呈同相（符号一致）；进而在数字域对两路输出执行差分运算，利用“反相信号相加、同相误差相消”的数学特性，在一次减法运算中同时消除零点漂移、共模干扰及偶次非线性项。由于该补偿作用于传感器输出的原始数字数据，与传感器量程无关，因而能够在全量程范围内保持一致的补偿效果，系统性提升测量精度。

27、此外，在进一步的方案中，本发明利用反向并联拓扑固有的约束关系p1≈−p2，在不增加任何硬件的前提下，可派生出方向互验识别、不平衡度健康诊断及故障容错切换功能，实现了一套拓扑、多重收益效果。

28、基于上述设计构思，本发明可取得如下有益效果：

29、1、全量程测量精度系统性提升。差分运算在数学上可消除两传感器共有的加性误差成分，包括零点漂移、共模干扰（温度波动、电磁干扰、电源噪声等）以及偶次非线性项（如，因其偶函数特性在正、负压差下符号一致而被完美抵消），有效改善输入输出的线性度。区别于传感器内部差分电路的折衷式补偿，本发明的补偿在数字域执行，不受量程限制，兼顾低压段精度与中高量程段线性度，实现全量程高精度测量。

30、2、共模干扰抑制能力本质提升。反向并联架构配合两传感器物理紧贴安装及导热耦合设计，使双传感器处于高度一致的热、电、磁环境，环境干扰在双通道中表现为同相共模成分，经差分运算被天然抑制，可大幅削弱温度梯度、电磁辐射、电源纹波等外部扰动对最终输出的影响，提升装置在工业现场复杂环境下的长期稳定性。

31、3、压差方向识别可靠性显著提高。双传感器输出天然满足的符号关系，方向判断基于双信号极性互验而非单一信号极性：仅当两路输出异号时才判定压差方向，同号时保持历史方向输出，从根本上规避了单通道零点漂移或瞬时干扰导致的方向误判。

32、4、具备动态异常甄别与冗余容错能力。通过实时计算不平衡度并与多级阈值比较，可有效区分真实压差波动（双信号同步反向跳变，d值短暂升高后迅速回落）与单通道故障（单信号异常跳变，d值持续高位偏离）；在判定单通道故障时自动切换至健康通道输出，避免单点故障导致整体停机，保证测量的连续性，提升高可靠性监测场景下的数据可信度。

33、5、通用性强、易于工程落地。本发明适配差压型mems数字压力传感器"独立封装、正负取压气孔物理隔离"的固有特性，适用于所有输出遵循"正压端口压力−负压端口压力"机理的差压型传感器（热式、电容式、压阻式等），覆盖行业主流型号；气路连接仅需标准导管与接头，无需改动传感器内部电路及结构，成本低、易推广；且差分运算为轻量级数学处理，计算延迟为微秒级，实时响应性好。