Brevet FR2615618A1 — publié le 19881125

1i - 2615618 La présente invention concerne les capteurs de pression et plus particulièrement ceux du type comprenant des jauges de contrainte piézorésitives connectées en pont de mesure et déposées sur un élément déformable, sensible à la pression. La valeur des jauges de contrainte variant non seulement en fonction des déformations subies mais également en fonction de la température, il est nécessaire de corriger les signaux électriques issus du pont de mesure pour obtenir des capteurs d'une grande précision. Pour ce faire, il est connu de procéder à une calibration de la cellule de mesure afin d'identifier les paramètres d'un modèle prédéfini. On aura par exemple un modèle du type suivant: 2 2 Gc=Go+G1V+K2V +K3V(T-To)+K4 +K (T-To) (1) o G étant l'information de sortie corrigée, on a: c - G l'erreur de zéro à la température T o o - V l'information de sortie de la cellule sensible à la grandeur à mesurer, T la température de la cellule ou une fonction de cette température, K K des paramètres issus de la calibration de chaque cellule. De telles fonctions de correction sont faciles à appliquer avec les techniques de calcul numérique mais, cela nécessite l'utilisation d'au moins un microprocesseur ce qui renchérit beaucoup le prix de revient des capteurs de pression de qualité. La présente invention a pour objet d'éviter cet inconvénient en proposant la réalisation d'un capteur de pression, performant et compensé en température, tout en étant d'un coût réduit. Elle permet en effet d'obtenir une information de la pression à mesurer sous forme 2 2615618 numérique et corrigée en température, sans utiliser de microprocesseur ou microcontrôleur. Elle est particulièrement bien adaptée à une cellule de mesure fonctionnant suivant le principe du pont de jauges piézorésistives. Le capteur, selon l'invention, comprend en combinaison des moyens analogiques pour mesurer la température des jauges de contrainte et des moyens numériques pour linéariser et corriger, en fonction de la température, selon un modèle de correction prédefini, les informations issues des jauges connectées en pont de mesure. La température des jauges est considéré comme étant celle de l'élément déformable sur lequel elles ont été déposées. A cet effet, les moyens pour mesurer la température de l'élément déformable' sont des résistances, constituées par des encres conductrices, à fort coefficient de température et déposées sur l'élément déformable de manière symétrique par rapport à une ligne de contrainte nulle de cet élément. De cette manière, les effets piézorésistifs propres à ces encres sont limités. Ceci permet, quelle que soit la pression à laquelle est soumis le capteur, de mesurer la température de l'élement déformable avec une précision suffisante pour compenser les dérives totales, dans une large gamme de température. On dispose en effet de deux informations analogiques: - l'une Vs issue d'un pont de mesure, tel que par exemple un pont de Wheatstone, de la forme: Vs = k G E (2) o G est la grandeur physique à mesurer, E est la tension d'alimentation du pont, k le facteur d'échelle de la cellule. Vs dépend de la pression à mesurer et de la température. - l'autre, issue des encres conductrices qui dépend uniquement de la température. On peut constater que dans l'équation de calibration (1) vue précédemment, il intervient un terme de la forme k3V (T-To) dépendant des deux voies de mesure. Cette information peut être obtenue en utilisant comme tension d'alimentation E du pont de mesure, la tension, générée à partir d'un pont de températurequi est fonction de (T-To). Ces trois informations sont alors numérisées par un moyen quelconque, conversion tension-fréquence + comptage par exemple. Il faut ensuite élaborer l'information numérique corrigée connaissant les coefficients du modèle d'erreur définis par l'équation (1). Ces coefficients sont calculés à partir des données de calibration obtenues sur les 3 informations issues de la chaine d'acquisition. Ceci permet de prendre en compte d'une part les dérives éventuelles de la partie analogique et conversion, d'autre part les non-linéarités pouvant intervenir en particulier pour les mesures des informations température et du produit V.(T-TO). Cette correction est réalisée par une série d'addition des différents termes du modèle. Pour cela, une mémoire est programmée à l'issue de la phase de calibration du capteur, contenant les informations suivantes: GO, erreur de zéro à la température TO - k2.V2 disposé en mémoire à des adresses correspondant aux ni bits de poids fort de l'information V numérisée. - k3.V(T-TO) aux adresses suivantes augmentées des n2 bits de poids fort de l'information V.(T-TO) numérisée. - et de même les informations k4.(T-TO) et K5.(T-TO)2 aux adresses appropriées. Par un choix judicieux des adresses et du nombre de bits nécessaires pour chaque type d'information, on dispose donc en mémoire de tous les termes de correction de la grandeur kl.V qui elle, est obtenue directement en sortie 4 2615618 du convertisseur par réglage du gain de la chaine de conversion. Ces termes sont adressables directement à partir des informations numériques issues de la partie conversion. Il suffit d'effectuer de manière séquentielle l'addition de ces différents termes pour obtenir l'information corrigée. Notons que l'espace mémoire nécessaire pour parvenir à une correction correcte est d'autant plus faible que les coefficients ki le sont également. En effet, la résolution nécessaire pour l'adressage des différents termes est égale à _i/(ki.Imax), ei étant l'erreur admissible pour le terme i et Imax la valeur max. - de ce terme. les termes ki.Imax étant généralement en valeur relative inférieure à.05,la résolution nécessaire sera voisine de 20Ei. Pour Ei =. 01%, il sera donc nécessaire de disposer d'une résolution de.2%, soit 500 points. Pour quatre termes, le nombre d'adresses sera donc voisin de 2000 avec 9 à 10 bits par adresses. Les dessins annexés illustrent, à titre d'exemple, un mode de réalisation d'un capteur de pression selon la présente invention. - La figure 1 est une coupe du capteur, - La figure 2 est une vue en plan de l'élément déformable, - La figure 3 est un schéma du principe du traitement des informations. Tel que représenté figure 1, le capteur comprend de façon connue un élément déformable 3, par exemple une plaque circulaire en céramique. Sur cette plaque sont scellées deux coquilles 1, 2, disposées de part et d'autre de l'élément déformable 3 et déterminant ainsi deux chambres distinctes pouvant être alimentées séparément en pressions P et P 1 2 2615618 Sur la céramique sont déposées, par des moyens classiques, les jauges de contraintes piézorésitives R.l, R2, R3, et R4 en des zones de contraintes maximum. Par exemple, figure 2, deux jauges R1, R4 sont situées près du scellement de la céramique et les deux autres R2, R3 au centre de la céramique de telle sorte que les jauges R, R2, R et R4 soient disposées sensiblement l 2' R3 R4. sur un diamètre de l'élément circulaire déformable 3. Deux autres résistances RT1 et RT2 sont également déposées sur la céramique de part et d'autre et symétriquement au diamètre.défini par les jauges de contraintes. Les jauges R1, R2, R3 et R4 sont connectées selon un pont de Wheatstone 4, ainsi que les résistances RT1 et RT2 qui sont connectées avec de% résistances réglables r, selon un autre pont de Wheatstone 5. Les signaux électriques analogiques, issus des deux ponts de mesure 4 et 5 sont respectivement injectés dans des amplificateurs 6 et 7. A l'aide d'un commutateur 9 le pont de mesure 4 peut être alimenté soit par une tension de référence stabilisée E, soit par la tension VT issue du pont de mesure 5, ceci permet de prendre en compte la température de la céramique c'est à dire des jauges de contraintes. Un second commutateur 8 permet de sélectionner les informations V, VT ou V (T-To) vers un convertisseur analogique-digital 10, pour les transformer en informations numériques et les rendre utilisables pour le calcul numérique de la pression corrigée Go. Pour ce faire, les coefficients k2V, k3 V(T-To), k4(T-To) et k5(T-To) 2 sont mémorisés dans une mémoire 12. A noter que le terme klV peut être obtenu directement en réglant en conséquence le gain de l'amplificateur 6. 6 2615618 Un séquenceur 11l assure la synchronisation nécessaire entre les divers éléments; commutateurs 8 et 9, registres de la mémoire 12 et un additionneur 13, pour le calcul de G représentant la pression mesurée et compensée en c température. Cette structure pourrait bien entendu être utilisée pour calculer Gc avec un modèle plus complexe qui intégrerait en plus des termes en V3 3par exemple. en plus des termes en V et 7 2615618 REVENDICATIONS 1 - Capteur de pression à jauges de contraintes piézorésitives, connectées en pont de mesure et déposées sur un élément déformable, sensible à la pression caractérisé en ce que, pour compenser la dérive en température, il comprend en combinaison des moyens analogiques (5) pour mesurer la température des jauges de contrainte, et des moyens numériques- pour linéariser et corriger, en fonction de la température selon un modèle de correction prédéfini, les informations issues des jauges de contrainte (4). 2 - Capteur de pression selon la revendication 1. caractérisé en ce que les moyens pour mesurer la température des jauges de contrainte sont des résistances consituées par des encres conductrices, à fort coefficient de température et déposées sur l'élément déformable de manière symétrique par rapport à une ligne de contrainte nulle de cet élément. 3 -Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 et 2. caractérisé en ce que pour un modèle de correction de la forme Gc=Go+G 1V+K2V2 +K3V(T-To)+K4(T-To)+K5(TTo) (1) le terme V(T - To) est obtenu en utilisant comme tension d'alimentation E du pont de mesure (4) la tension VT générée à partir d'un pont (5) de mesure de température. 4 -Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens numériques de correction consistent en: un convertisseur analogique digital (10), une mémoire (12) contenant les coefficients de correction, un additionneur (13), un séquenceur (11) et deux commutateurs (8, 9) permettant de sélectionner les données analogiques issues de deux ponts de mesure (4, 5).