一种颅内压传感器信号调理方法与流程

1.本发明涉及调理方法领域，尤其涉及一种颅内压传感器信号调理方法。


背景技术：

2.目前临床上使用的颅内压传感器大多为微型压阻式传感器。本发明所使用的颅内压监测传感器为半导体材料压阻式传感器，指当受到应力时，电阻率会发生明显变化。压阻式传感器就是基于压阻效应制成的，用于测量压力、加速度等值。
3.硅压阻式传感器，除了灵敏度高这一优点外，还具有高分辨率，高响应频率可以测量低频加速度和直线加速度的优点，在很多方面得到了广泛的应用[20]。但由于半导体的固有特性，压阻式传感器普遍存在以下几个问题：
[0004]
温漂大：半导体材料对于温度变化非常敏感，需要温度补偿或者在恒温条件下使用。
[0005]
一致性：由于工艺手段的限制和其较高的灵敏度，造成同批量的传感器也存在着较大的离散性。为了保证产品精度，往往需要单独进行校正。
[0006]
信号放大：虽然工业用的硅压阻式传感器的灵敏度较高，很多情况下可以不需要放大直接进行使用，但就颅内压微型传感器的电流为毫安级，必须对信号进行放大处理。
[0007]
针对封装完成的压力传感器在颅内的使用环境，由于材料及加工工艺的限制，传感器直接输出的信号不可避免地存在非线性、零点温度漂移、灵敏度温度漂移等问题。为此，在实际使用过程中需要对这些不确定因素进行补偿，以获得满足使用要求的信号。
[0008]
在实际应用中，压阻式传感器主需要解决温度漂移和非线性的问题，在对压阻式传感器的温度补偿领域，国外一直保持技术领先，其在很早前就开始在这方面的研究，并取得了很多重要的成果。压阻式传感器的温度漂移补偿方法有硬件补偿法、软件补偿法以及软硬件结合的综合补偿方法。硬件补偿方法有：外部串、并联热敏电阻补偿法，桥臂串、并联恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，双电桥法、三极管桥外补偿法等。软件补偿则是利用软件方法，将mcu与压力传感器结合起来，结合补偿算法对传感器温度漂移进行补偿。常用的软件补偿算法有查表法、曲线拟合法、反函数法及目前非常流行的神经网络法等。
[0009]
硬件补偿的方法有许多缺点，如电路复杂、精度低、通用性差、成本高等等。软件补偿的效果相对要比硬件效果好，可以达到的精度更高，通用性强，成本低。对于传感器的非线性问题，较为常用的方法有：逐段缩小测量范围、取中间近似值；加入非线性校正环节和非线性的刻度。随着数字技术及微计算机广泛应用的今天，针对传感器的非线性问题，人们已经研究出了许多非线性校正方法。如查表法、线性提升法、折线逼近法等方法。随着技术的进步和各种新型传感器的出现，传感器的温度补偿和线性化校正正朝着智能化方向发展。
[0010]
传感器补偿的目的是为了使得传感器的输入输出特性尽量的接近理想曲线，由于传感器的实际模型很难准确的获得，为此在传感器使用前都需要用更高一级精度的标准器具对其进行一次标定，将该次标定获得的输出模型作为后续补偿处理的参考。
[0011]
传感器的标定分为静态标定和动态标定。静态标定主要针对传感器的静态特性指标如量程、精度等。动态标定用于确定传感器的动态灵敏度、固有频率和频率响应范围。通用压力传感器的标定方式是由测力计提供一系列标准压力，根据参考工作曲线选取合适的标定点，确定传感器系统的输入/输出关系。这种标定方式过程繁琐、数据获取困难、标定现场不能评估标定质量。王莉娜等人提出了自动标定技术，在压力传感器的标定过程中引入智能化、曲线拟合和误差分析等计算机控制技术，大幅提高了标定的效率和可靠性。尹伟等人采用复杂拟合回归曲线模型，利用虚拟仪器技术和matlab软件强大的矩阵与数值计算能力实现压力传感器的静态标定。谢石林等人提出传感器标定的神经网络杂交建模方法，该方法是通过引入神经网络杂交建模的方法建立。由于颅内压监测持续时间一般不少于5天，对于这类传感器的标定不能像普通传感器一样停机或取出后重新用高精度校验设备进行标定。为此，需要寻求一种在线标定的方法。us4672974通过引入参考压力到探头的一侧，实现对传感器灵敏度和零点漂移的补偿，从而完成一次在线标定。us7771362b2和us6120457介绍的两种方法中也同样通过巧妙的对压力探头进行结构改造，将体内压力引体外用另外一传感器作为参考实现标定。p.yameogo等人通过mems技术将执行器与传感器集成在一起，用执行器来完成传感器的标定。
[0012]
对于传感器的标定与补偿已有较多的方法，在工程实际中得到广泛应用。随着科技的进步，传感器的硬件补偿技术由最初分立元件的硬件电路补偿朝着集成电路调理模块发展，软件补偿算法的模型也变得更加精确，同时软硬件结合的补偿方法使得传感器的补偿更加智能化，大大的提高了设计人员的效率并且也方便了使用者。传统的标定方式往往步骤多、操作繁琐，标定过程中需要让传感器处于脱机状态，对于一些不便于脱机标定的传感器使用场合，传统的标定方法无法适用。文献中提到在线标定方法，都是基于一定假设前提的基础上提出的，对标定过程做了些简化，对于不同的使用环境需要对传感器结构或硬件做相应的设计才行，标定处理效果较标准的标定方法有一定差距。目前，颅内压传感器的在长时间监测的过程中依旧存在零点漂移等问题，传感器的长期稳定性依旧有待改进。
[0013]
为解决上述问题，本技术中提出一种颅内压传感器信号调理方法。


技术实现要素：

[0014]
(一)发明目的
[0015]
为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种颅内压传感器信号调理方法，本发明通过温度补偿系数表及线性化电路对传感器端输出信号进行了有效的补偿与调理。
[0016]
(二)技术方案
[0017]
为解决上述问题，本发明提供了一种颅内压传感器信号调理方法，包括：
[0018]
制作基于pga309的信号调理电路来对桥式压力传感器进行标定和校正，包括信号增益模块、温度测量模块、故障检测模块、激励及线性化模块和数字接口模块；
[0019]
pga309上电以后，首先用温度传感器进行温度测量，然后从外部eeprom的列表数据中查找相应的温度补偿系数，调整零位dac和增益dac的输出，进行温度补偿，增益放大后的输出信号，经反馈路径送给线性化dac，按比例与参考电压叠加，形成激励信号送给传感器，这一过程由pga309内建的一个自动状态机实现并不断执行，保证pga309正常工作；
[0020]
对桥式压力传感器非线性部分的补偿，是通过pga309线性化模块实现的pga309线性化模块仅实现对压力引起的非线性进行补偿，对温度引起的非线性误差不予考虑；pga309线性化模块通过引入一定比例的输出电压，动态的改变电桥激励电压的大小，使得输出电压尽可能与理想线性曲线相吻合；
[0021]
pga309线性化模块仅消除了激励引起非线性误差，为此还需要对温度漂移误差进行补偿，pga309在每次信号放大前都先进行温度采样，根据事先建立的温度补偿表，按照一定的检索算法查询与该温度匹配的零点和增益精调dac值，使得在不同温度下pga309输出依然满足期望的输出范围；温度补偿算法的核心是建立温度补偿系数检索表，为此，首先要建立每个传感器对应的温漂曲线，根据传感器的数学参考模型，当输入压力p＝p
min
时，此时对应电桥的零点漂移曲线；当p＝p
max
时，对应电桥的灵敏度漂移曲线，
[0022]kbridge
(p，t)＝n nt nt2；
[0023]
由期望的输出范围即可解算出所需工作温度范围内zerodac和gaindac的值，进而采用线性插值算法建立17个温度点的补偿系数表。
[0024]
优选的，基于pga309的信号调理电路中包含信号增益模块：
[0025]
pga309共有三级信号放大电路，前置放大器g1对输入微弱传感器进行放大和噪声抑制，其增益范围最大为4-128，后级放大器g3用于驱动输出增益调节范围为2-9，前置放大器g1和后级放大器g3的增益为固定的几个数值，通过pga309内部寄存器进行配置，为了获得期望的指定增益倍数，中间级g2通过一个16位的dac可以实现对增益的精细调节，其调节范围为0.3333-1倍；通过三级放大调节，pga309的整个放大增益范围可达到2.7-1152，考虑到传感器存在零点漂移，pga309还内置了零点漂移校正功能，可以在两处进行调节：粗调在前置放大级g1以前，精调在前置放大级g1之后精细调节g2之前，通过这两次调节完成对零点漂移的补偿。
[0026]
优选的，基于pga309的信号调理电路中包含温度测量模块：
[0027]
可以选择内部的温度传感器，也可以通过temp脚外接测量元件，把表征温度的电压信号送到内部的adc，外接的eeprom存储了温度校正系数，通过查表的方式分段补偿。
[0028]
优选的，基于pga309的信号调理电路中包含故障检测模块：
[0029]
障检测模块分为两个部分，一部分位于传感器信号输入口的故障检测单元，它通过内部的9个比较器，把输入信号与基准电压进行比较，从而判断传感器的状态，在故障状态器的标识位给予标识；另一部分则是对增益后的信号进行检测，当其超过输出范围时，对输出信号进行限制并报警。
[0030]
优选的，基于pga309的信号调理电路中包含激励及线性化模块：
[0031]
桥式传感器在外力下，输出的信号本身是非线性的，pga309中含有一条专用于传感器激励和线性化的电路，当pga309工作时，需要一个稳定的参考电压，该电压可以是其内部的参考电压也可以选择外部参考电压，线性化电路首先对内部参考电压进行测量，将其与输出电压vout的反馈信号相加来作为传感器非线性曲线的补偿，反馈值的大小由一个7位的dac来决定；电桥激励电压的选择同样有两种方式，可外接独立的恒压源对其供电，或者使用pga309提供的vexc作为激励电压，如若要使用pga309内部的线性化功能模块则必须以vexc的作为激励源，线性化电路通过引入输出电压反馈，动态的改变vexc的大小以达到线性校正的目的，引脚vin1和vin2接电桥的输出端。
[0032]
优选的，基于pga309的信号调理电路中包含数字接口模块：
[0033]
单线制uart的编程口，用于对pga309内部寄存器进行配置，波特率为4.8kb/s-38.4kb/s；另外一种为两线制i2c接口，该接口主要用于对外部eeprom进行存取访问，eeprom存放pga309的配置信息及温度补偿系数表；pga309有9个内部寄存器，用于对其各功能模块进行配置及状态的监测；上电后，pga从eeprom读取配置信息，之后进行一次温度转换，根据转换的温度值检索事先标定好的温度补偿系数表，查询当前温度下的增益精调和零点精调值，这样便完成了一次输入电压的放大，此后的每一次信号的放大都是从温度采样开始。
[0034]
优选的，v
exc
＝k
exc
*v k
lin
*v；
[0035]
式中为线性化系数，对于选定了参考电压范围的系统，值的取值大小直接影响电桥的激励电压，结合传感器数学参考模型可知，对于桥式压力传感器其非线性最大处位于50％满量程输入压力附近，pga309线性化模块的最佳工作点，配置在使得输入压力为满量程一半时的输出值与理想输出值相等，即使得50％压力处的输出非线性误差趋于零。
[0036]
式中为线性化系数，对于选定了参考电压范围的系统，值的取值大小直接影响电桥的激励电压，结合传感器数学参考模型可知，对于桥式压力传感器其非线性最大处位于50％满量程输入压力附近，为此，pga309线性化模块的最佳工作点，应该配置在使得输入压力为满量程一半时的输出值与理想输出值相等，即使得50％压力处的输出非线性误差趋于零，
[0037]
bv＝{kv(50)[kv(100) kv(0)]/2}/[kv(100)-kv(0)]
[0038]klin
＝(4*bv*v
refkexc
)/[(v
outmax-v
outmin
)-2bv(v
outmax
v
outmin
)]，
[0039]
式中为中间点的误差值，通过测量输入分别为0、50％、100％时的电桥输出可以求得。
[0040]
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
[0041]
通过温度补偿系数表及线性化电路对传感器端输出信号进行了有效的补偿与调理。
附图说明
[0042]
图1为本发明提出的一种颅内压传感器信号调理方法中pga309的增益模块的结构示意图。
[0043]
图2为本发明提出的一种颅内压传感器信号调理方法中桥压力非线性校正图。
[0044]
图3为本发明提出的一种颅内压传感器信号调理方法中pga309工作流程图。
[0045]
图4为本发明提出的一种颅内压传感器信号调理方法中算法流程图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
[0047]
如图1-4所示，本发明提出的一种颅内压传感器信号调理方法，包括：
[0048]
制作基于pga309的信号调理电路来对桥式压力传感器进行标定和校正，包括信号增益模块、温度测量模块、故障检测模块、激励及线性化模块和数字接口模块；
[0049]
pga309上电以后，首先用温度传感器进行温度测量，然后从外部eeprom的列表数据中查找相应的温度补偿系数，调整零位dac和增益dac的输出，进行温度补偿，增益放大后的输出信号，经反馈路径送给线性化dac，按比例与参考电压叠加，形成激励信号送给传感器，这一过程由pga309内建的一个自动状态机实现并不断执行，保证pga309正常工作；
[0050]
对桥式压力传感器非线性部分的补偿，是通过pga309线性化模块实现的pga309线性化模块仅实现对压力引起的非线性进行补偿，对温度引起的非线性误差不予考虑；pga309线性化模块通过引入一定比例的输出电压，动态的改变电桥激励电压的大小，使得输出电压尽可能与理想线性曲线相吻合；
[0051]
pga309线性化模块仅消除了激励引起非线性误差，为此还需要对温度漂移误差进行补偿，pga309在每次信号放大前都先进行温度采样，根据事先建立的温度补偿表，按照一定的检索算法查询与该温度匹配的零点和增益精调dac值，使得在不同温度下pga309输出依然满足期望的输出范围；温度补偿算法的核心是建立温度补偿系数检索表，为此，首先要建立每个传感器对应的温漂曲线，根据传感器的数学参考模型，当输入压力p＝p
min
时，此时对应电桥的零点漂移曲线；当p＝p
max
时，对应电桥的灵敏度漂移曲线，
[0052]kbridge
(p，t)＝n nt nt2；
[0053]
参阅图3和图4的输出范围即可解算出所需工作温度范围内zerodac和gaindac的值，进而采用线性插值算法建立17个温度点的补偿系数表。
[0054]
在一个可选的实施例中，基于pga309的信号调理电路中包含信号增益模块：
[0055]
pga309共有三级信号放大电路，前置放大器g1对输入微弱传感器进行放大和噪声抑制，其增益范围最大为4-128，后级放大器g3用于驱动输出增益调节范围为2-9，前置放大器g1和后级放大器g3的增益为固定的几个数值，通过pga309内部寄存器进行配置，为了获得期望的指定增益倍数，中间级g2通过一个16位的dac可以实现对增益的精细调节，其调节范围为0.3333-1倍；通过三级放大调节，pga309的整个放大增益范围可达到2.7-1152，考虑到传感器存在零点漂移，pga309还内置了零点漂移校正功能，可以在两处进行调节：粗调在前置放大级g1以前，精调在前置放大级g1之后精细调节g2之前，通过这两次调节完成对零点漂移的补偿。
[0056]
在一个可选的实施例中，基于pga309的信号调理电路中包含温度测量模块：
[0057]
可以选择内部的温度传感器，也可以通过temp脚外接测量元件，把表征温度的电压信号送到内部的adc，外接的eeprom存储了温度校正系数，通过查表的方式分段补偿。
[0058]
在一个可选的实施例中，基于pga309的信号调理电路中包含故障检测模块：
[0059]
故障检测模块分为两个部分，一部分位于传感器信号输入口的故障检测单元，它通过内部的9个比较器，把输入信号与基准电压进行比较，从而判断传感器的状态，在故障状态器的标识位给予标识；另一部分则是对增益后的信号进行检测，当其超过输出范围时，对输出信号进行限制并报警。
[0060]
在一个可选的实施例中，基于pga309的信号调理电路中包含激励及线性化模块：
[0061]
桥式传感器在外力下，输出的信号本身是非线性的，pga309中含有一条专用于传感器激励和线性化的电路，当pga309工作时，需要一个稳定的参考电压，该电压可以是其内
部的参考电压也可以选择外部参考电压，线性化电路首先对内部参考电压进行测量，将其与输出电压vout的反馈信号相加来作为传感器非线性曲线的补偿，反馈值的大小由一个7位的dac来决定；电桥激励电压的选择同样有两种方式，可外接独立的恒压源对其供电，或者使用pga309提供的vexc作为激励电压，如若要使用pga309内部的线性化功能模块则必须以vexc的作为激励源，线性化电路通过引入输出电压反馈，动态的改变vexc的大小以达到线性校正的目的，引脚vin1和vin2接电桥的输出端。
[0062]
在一个可选的实施例中，基于pga309的信号调理电路中包含数字接口模块：
[0063]
单线制uart的编程口，用于对pga309内部寄存器进行配置，波特率为4.8kb/s-38.4kb/s；另外一种为两线制i2c接口，该接口主要用于对外部eeprom进行存取访问，eeprom存放pga309的配置信息及温度补偿系数表；pga309有9个内部寄存器，用于对其各功能模块进行配置及状态的监测；上电后，pga从eeprom读取配置信息，之后进行一次温度转换，根据转换的温度值检索事先标定好的温度补偿系数表，查询当前温度下的增益精调和零点精调值，这样便完成了一次输入电压的放大，此后的每一次信号的放大都是从温度采样开始。
[0064]
在一个可选的实施例中，v
exc
＝k
exc
*v k
lin
*v；
[0065]
式中为线性化系数，对于选定了参考电压范围的系统，值的取值大小直接影响电桥的激励电压，结合传感器数学参考模型可知，对于桥式压力传感器其非线性最大处位于50％满量程输入压力附近，pga309线性化模块的最佳工作点，配置在使得输入压力为满量程一半时的输出值与理想输出值相等，即使得50％压力处的输出非线性误差趋于零。
[0066]
式中为线性化系数，对于选定了参考电压范围的系统，值的取值大小直接影响电桥的激励电压，结合传感器数学参考模型可知，对于桥式压力传感器其非线性最大处位于50％满量程输入压力附近，为此，pga309线性化模块的最佳工作点，应该配置在使得输入压力为满量程一半时的输出值与理想输出值相等，即使得50％压力处的输出非线性误差趋于零，
[0067]
bv＝{kv(50)[kv(100) kv(0)]/2}/[kv(100)-kv(0)]
[0068]klin
＝(4*bv*v
refkexc
)/[(v
outmax-v
outmin
)-2bv(v
outmax
v
outmin
)]，
[0069]
式中为中间点的误差值，通过测量输入分别为0、50％、100％时的电桥输出可以求得。
[0070]
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。