一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统

技术领域

本发明涉及气体流量标定技术领域，具体为一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统。

背景技术

在使用各种流体时，需要测量这些流体的性质和数量。MEMS热式流量传感器是基于流体传热学原理的一类传感器，利用 MEMS 热式原理对管路气体介质进行流量监测。流量芯片由两个热偶堆和一个加热电阻组成，热偶堆对称的分布在加热电阻的上、下游，加热电阻和热偶堆的热结处于一个隔热底座上。当流体静止时，加热电阻两侧对称位置的温度是相同的，当流体从右向左流动时等温线向左侧倾斜，加热电阻两侧对称位置的温度不再相同，温差可由置于加热电阻两侧的热偶堆测定。由于流体的传热只与流体质量和流体的热容有关，因此传感器可以直接测出流体质量流量。

利用现有的热式流量传感器模组进行气体流量测量时，一方面可通过数字通信方式读取当前流量值，另一方面可根据输出的模拟电压换算出当前的实际流量，因此，一般地，热式流量传感器模组可同时具备将测量的气体流量以数字状态输出和/或模拟状态输出。

在热式流量传感器模组中，大多是利用至少一颗MEMS硅流量芯片参与流量感知，当不同大小流量流经MEMS硅流量芯片时，会产生不同大小的原始传感器信号，且不同大小的原始传感器信号和所对应测量的气体流量之间的关系可拟合形成一条多阶拟合曲线。通常，原始传感器信号为mV级别的信号。

为了方便后级的应用，一方面需要将原始传感器信号进行适当放大，另一方面需要将测量的气体流量和输出的原始传感器信号作拟合，以在拟合后形成函数拟合关系，从而基于所形成的函数拟合关系根据输出电压准确反演出当时的气体流量数值，进而得到准确的流量计输出与实际气体流量之间的关系。为了确保产品检测结果准确，通常每个公司的产品都有自己产品的标定方法和规程。

传统的标定过程作业复杂，受MEMS硅流量芯片的原始传感器信号影响大。如申请号为201811117616.1的专利中，公开了详细的标定过程。然而具体的每次实施标定过程时，都需要将标定参数手工填入到标定软件中，标定效率低且容易出错；当原始传感器信号离散的话，需要手工调节运放的放大倍数，精度不稳定且会造成标定良率较低。

发明内容

为了解决现有技术种基于人工输入标定参数以及人工调节放大倍数完成热式流量传感器的标定过程，不但效率低，而且结果不稳定的问题，本发明提供一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统，其能有效实现对热式流量传感器模组的气体流量标定，提高气体流量标定的精度，而且自动化程度高，有效地提高了标定效率。

本发明的技术方案是这样的：一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统，其特征在于，其包括：上位机、模组信息扫描器、MFC流量控制器和模组信息采集器；

所述上位机与待标定传感器模组适配电连接，控制待标定传感器模组的气体流量标定的整个过程；

所述模组信息扫描器与上位机适配电连接，用于扫描获取待标定传感器模组的模组铭牌信息，并将所述模组铭牌信息传输至所述上位机；

所述MFC流量控制器与所述上位机适配电连接，基于所述上位机发送的气体流量标定指令调控送入所述待标定传感器模组的标定气体的流量状态；

所述模组信息采集器与所述上位机适配电连接，用于采集所述待标定传感器模组内MCU中的DAC基准电压，并将所采集的基准电压信号送入上位机内；

所述上位机对所述模组信息扫描器传过来的所述模组铭牌信息进行解析，解析后生成所述待标定传感器模组的标定参数信息，并将所生成的所述标定参数信息写入到所述待标定传感器模组内；所述上位机基于所述标定参数信息生成所述气体流量标定指令，并送入到所述MFC流量控制器中；

在上位机内，基于送入到待标定传感器模组标定气体的气体流量以及待标定传感器模组检测出的标定电压信号ADC值，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态进行标定；

所述模组铭牌信息包括：所述待标定传感器模组的模组型号；

所述标定参数信息包括：产品系列号、标定参数以及标定的气体种类；

所述标定参数包括：数字标定参数和模拟标定参数；所述模拟标定参数包括模拟量程的范围。

其进一步特征在于：

所述待标定传感器模组的结构包括：至少一个用于对气体流量感知的MEMS硅流量芯片以及用于对所述MEMS硅流量芯片的输出自适应放大的输出自适应放大电路；

对待标定传感器模组标定时，基于所述标定参数，所述上位机配置输出自适应放大电路的放大状态，所述MEMS硅流量芯片的输出经所述输出自适应放大电路放大后由待标定传感器模组采集得到放大后的标定电压信号ADC值；

所述输出自适应放大电路包括：可编程增益放大器PGA以及与所述可编程增益放大器PGA适配的外部可配置放大电路，所述MEMS硅流量芯片的输出信号经外部可配置放大电路以及可编程增益放大器PGA依次放大，且在放大后经ADC电路转换后由待标定传感器模组采集得到标定电压信号ADC值；

所述外部可配置放大电路包括：运算放大器芯片U5、电容C10、C11、C12和C14，数字电位器R3和电阻R2；

运算放大器芯片U5的OUTA端与可编程增益放大器PGA的同相端、电容C10的一端以及数字电位器R3的一端连接，电容C10的另一端以及数字电位器R3的另一端与运算放大器芯片U5的INA-端以及电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接收差分信号THERM-，差分信号THERM+与运算放大器芯片U5的INA+以及电容C14的一端连接，电容C14的另一端以及运算放大器芯片U5的VSS端连接，运算放大器芯片U5的VDD端与+5V电压、电容C10的一端以及电容C11的一端连接，电容C10的另一端以及电容C11的另一端均接地，可编程增益放大器PGA的输出端与模组微处理器MCU的ADC模块连接，经ADC模块转换后形成数字电压信号；

在所述上位机中，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态标定时，标定方法包括以下步骤：

a1：读取待标定传感器模组对应的预设的输出范围；

待标定传感器模组对应的输出范围包括：模拟电压范围和气体流量量程，将模拟电压输出范围记作：模拟量程；

a2：基于所述模拟量程的范围，将模拟量程划分为N段，并形成N+1个标定采集点；

基于每个标定采集点的在所述模拟量程的范围内所占的量程百分比，确定每个标定采集点对应的标定气体的流量状态；

a3：在每个标定采集点，上位机控制所述MFC流量控制器向所述待标定传感器模组内通入对应的流量状态的标定气体；

a4：将每个所述标定采集点对应的流量状态的AD值都存储到待标定传感器模组中；

a5：待标定传感器模组采集当前标定采集点在标定气体下经过放大器放大后的ADC值按照从小到大顺序存入对应存储空间，并将ADC值传入到上位机；上位机判断每个标定电压信号ADC值的分辨率是否合格；

如果合格，则执行步骤a6；

否则，将所述待标定传感器模组标记为不合格产品，停止本次标定程序；

a6：对任意两个标定采集点的放大后的所述标定电压信号的ADC值，基于线性插值方法生成标定拟合线段；

a7：将所有的标定拟合线段构成一条曲线，记作：拟合标定曲线；

所述拟合标定曲线的横坐标为：气体流量点序号，纵坐标为：放大后的标定电压信号ADC值；

a8：计算所述拟合标定曲线上的每一个采集点对应的待标定传感器模组的输出电压VP；

VP

其中，P

VP

a9：计算每个所述标定采集点P

CODEDAC_i = ( VP

其中，Vref代表DAC的基准电压；n表示DAC的位数；

a10：将每个所述标定采集点对应的CODEDAC作为标定参数存储到所述待标定传感器模组中；

步骤a1实施之前，还需要配置所述输出自适应放大电路的工作放大倍数，并将所述输出自适应放大电路设置在所述工作放大倍数下进行后续标定工作；

其中，配置所述输出自适应放大电路的工作放大倍数的操作，具体包括以下步骤：

b1：上位机控制所述输出自适应放大电路处于最大放大状态；

b2：上位机向所述MFC流量控制器，发出满量程输出命令，所述MFC流量控制器向所述待标定传感器模组内通入传感器满量程对应的预设流量状态的标定气体，将所述待标定传感器模组输出电压记作：待判断ADC值输出值；

b3：所述上位机判断所述待判断ADC值输出值是否超出所述待标定传感器模组中的ADC模块所能转换的范围；

如果超出了，则将设置所述输出自适应放大电路的放大倍数降低，循环执行步骤b2~b3；

否则，执行步骤b4；

b4：判断待判断ADC值输出值的分辨率是否合格；

如果合格，则将当前所述输出自适应放大电路的放大倍数记作所述工作放大倍数；

否则，将所述待标定传感器模组标记为不合格产品，停止本次标定程序；

其还包括以下步骤：

d1：使用标定后的传感器模组进行气体流量检测时，传感器模组接收输入的待测试气体流量后，读取接收到的待测试气体对应的流量AD值，记作：待确认AD值；

d2：读取传感器模组中存储的所有标定采集点对应的流量AD值；

d3：找到所述待确认AD值所属的区间，记作：待确认区间[P

其中，P

d4：计算所述待确认AD值对应的输出电压二进制DAC值；

设所述待确认AD值对应气体流量点m，则计算方法为：

CODE DAC_m =CODEDAC_P

其中，CODE DAC_m 表示待标定传感器模组在流量m点设定的电压二进制DAC值，

CODEDAC_P

AD

d5：基于二进制DAC值CODE DAC_m，计算得到待标定传感器模组的输出电压VP后，传感器模组输出气体流量点m对应的电压；

在所述上位机中，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态标定时，标定方法包括以下步骤：

上位机将所述标定气体的流量的满量程 Flow_FS，以Flow_FS*K的形式作为标定参数存储到所述待标定传感器模组中；

其中，Flow_FS的单位SLM，K为气体流量校准参数，取值为正整数；

其还包括以下步骤：

e1：使用标定后的传感器模组进行气体流量检测时，传感器模组接收输入的待测试气体流量后，读取接收到的待测试气体对应的流量AD值，记作：ADx；

e2：读取传感器模组中存储的满量程 Flow_FS的值；

e3：在0~满量程 Flow_FS之间，找到ADx所属的区间，记作：待确认区[P

e4：按照分段线性拟合方式计算待测试气体对应的输出；

在[P

Flow

其中：

Flow

Flow

其中，VFULLSCALE 为流量满量程对应的模拟输出电压；

V

VZERO 为零点流量时候的模拟输出电压；

所述上位机内设置不同待测试气体相对于标定气体的气体标定转换系数；

在所述MFC流量控制器中，基于所述气体标定转换系数使用所述标定气体模拟其他气体，进而完成标定过程。

本发明提供的一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统，通过模组信息扫描器扫描获取模组铭牌信息，获取热式流量传感器对应的模拟量程范围，然后上位机按照预设标定程序，自动解析生成标定参数信息；与现有对热式流量传感器模组相比，本系统无需人工将标定参数信息逐个输入等的步骤，避免了出错的概率，提高标定参数信息获取的自动化程度以及可靠性。

附图说明

图1为本发明气体流量标定系统的一种实施例示意图；

图2为本发明输出自适应放大电路的一种实施例电路原理图；

图3为标定气体流量和MEMS硅流量芯片输出原始电压信号对应曲线的示例；

图4为拟合标定曲线示例。

附图标记说明：1-程控电源、2-上位机、3-模组信息采集器、4-MFC(Mass FlowController)流量控制器、5-热式流量传感器模组标定支架、6-待标定传感器模组、7-数据采集卡、8-模组信息扫描器。

具体实施方式

本发明包括一种适于热式流量传感器的气体流量标定系统，其特征在于，其包括：上位机2、模组信息扫描器8、MFC流量控制器4和模组信息采集器3。

上位机2与待标定的热式流量传感器模组适配电连接，控制待标定传感器模组6的气体流量标定的整个过程。模组信息扫描器8与上位机2适配电连接，用于扫描获取待标定传感器模组的模组铭牌信息，并将模组铭牌信息传输至上位机2。MFC流量控制器4与上位机2适配电连接，基于上位机2发送的气体流量标定指令调控送入待标定传感器模组6的标定气体的流量状态。

本申请中的模组信息采集器3包括万用表和传感器模组内部的MCU部分。模组信息采集器3与上位机2适配电连接，用于采集待标定传感器模组6中DAC部分的基准电压VREF，以及标定完成后测量传感器模组的模拟输出电压。

本申请中对于热式流量传感器模组进行标定，如图1所示的实施例中，待标定传感器模组6置于热式流量传感器模组标定支架5上，热式流量传感器模组标定支架5的情况可根据需要选择，以能满足对待标定传感器模组6的标定为准，如至少实现对待标定传感器模组6的固定。

系统整体基于程控电源1供电，程控电源基于现有技术中的电源模块实现。本实施例中，程控电源1通过RS232接口与上位机2连接，模组信息采集器3通过RS232接口与上位机2连接，MFC流量控制器4通过RS485接口与上位机2连接。

利用上位机2实现对待标定传感器模组6标定时的过程控制，上位机2可采用现有常用的计算机设备，为了能与待标定传感器模组6间的交互，上位机2一般通过数据采集卡7与待标定传感器模组6间适配连接，数据采集卡7具体以能满足上位机2与待标定传感器模组6间的交互为准。本实施例中，数据采集卡7通过USB方式与上位机2连接。

一般地，在热式流量传感器模组上贴设有模组铭牌，通过模组铭牌可示出待标定传感器模组6的相关信息，如生产厂家、生产日期以及型号等基本信息，模组铭牌上一般还印刷有二维码或条码，也即利用二维码或条码可读取模组铭牌信息。模组信息扫描器8可采用现有常用的扫描枪或者其他扫描设备，具体以能满足对待标定传感器模组6上的模组铭牌信息的扫描获取为准，模组信息扫描器8需与上位机2连接，以便将所扫描获取的模组铭牌信息加载至上位机2。

上位机2对模组信息扫描器8传过来的模组铭牌信息进行解析，解析后生成待标定传感器模组6的标定参数信息，并将所生成的标定参数信息写入到待标定热式流量传感器模组内；

模组铭牌信息包括：待标定传感器模组6的模组型号；模组型号一般与生产厂家对模组命名规则相关，根据模组型号的命名规则可进一步解析生成标定参数信息中的产品系列号，每个产品系列号都有自己的模拟量程范围。标定程序中，通过对模组铭牌信息的读取即可获得待标定传感器模组对应的模拟量程范围。

标定参数信息包括：产品系列号、标定参数以及标定的气体种类。

标定的气体种类根据实际情况预先设置。如，本实施例中将标定气体种类设置为空气。当然也可以根据具体情况设置为其他气体。

产品系列号表明待标定传感器模组6的系列，如产品序列号可为FL3000/FL4000等序列。本申请中，基于每个产品序列号确定当前的待标定传感器模组6的标定参数。同一个产品系列号的热式流量传感器模组因为测量范围和硬件参数相同，所以使用相同的标定参数即可。

标定参数包括：数字标定参数和模拟标定参数。模拟标定参数包括模拟量程的范围，一般为热式流量传感器模组进行气体流量测量时输出电压的量程范围。数字标定参数包括标定气体量程范围。如：待标定传感器模组6对气体流量测量的气体流量量程为0~50SLM，输出电压范围为：0.5V~4.5V。当然，待标定传感器模组6的气体流量测量范围根据实际需求进行设定。上位机2通过数据采集卡7将标定参数信息写入待标定传感器模组6内。

本发明通过模组信息扫描器8扫描获取模组铭牌信息，通过上位机2解析生成标定参数信息，与现有对热式流量传感器模组标定相比，可避免人工将标定参数信息逐个输入等的步骤，提高标定参数信息获取的自动化程度以及可靠性。

上位机2基于标定参数信息生成气体流量标定指令，并送入到MFC流量控制器4中。MFC流量控制器4根据气体流量标定指令将标定气体送入待标定传感器模组6，具体的MFC流量控制器4基于现有技术实现。气体流量标定指令中包括标定气体的种类和标定气体的流量大小，如：是否满量程，以及每个标定采集点对应的气体流量等。

待标定传感器模组的结构中除了MCU控制单元和电源部分外，还包括：至少一个用于对气体流量感知的MEMS硅流量芯片以及用于对MEMS硅流量芯片的输出自适应放大的输出自适应放大电路，还需要模组微处理器MCU以及具有存储能力的EEPROM，以及完成数字量和模拟量转换的ADC模块和DAC模块。其中，ADC模块和DAC模块根据型号不同，基于不同的现有模块实现。在标定过程中，标定参数以及标定参数信息等数据写入具有存储能力的EEPROM中，标定后的热式流量传感器模组基于内部存储的标定参数信息进行气体流量测量。

在进行气体流量感知时，MEMS硅流量芯片会输出与所感知气体流量相对应的原始传感器信号。因此，对待标定传感器模组6的标定，具体是指将MEMS硅流量芯片输出的原始传感器信号与所感知气体流量之间关系的拟合过程。

对待标定传感器模组标定时，基于标定参数上位机2配置输出自适应放大电路的放大状态，MEMS硅流量芯片的输出的原始信号，经输出自适应放大电路放大后经过传感器模组内的PGA再次放大送给ADC进行转换，得到标定电压信号ADC值。

通常，在感知气体流量时，气体进入待标定传感器模组后，MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号是MV级的微小信号，而微小信号不容易被后级模拟数字转换器电路采集。因此，在热式流量传感器模组内需要对MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号进行放大，放大后送入ADC模块，转换为数字量AD值，进行后续计算。

对MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号进行放大时，一方面要考虑到分辨率的问题，另外一方面需要考虑放大后的信号能在ADC采集的范围之内。一般地，模组微处理器MCU内的可编程增益放大器PGA一般最高支持128倍放大，且是固定的几个放大倍数，如：16，32，64，128。由于不同热式流量传感器模组的量程范围不同，如果只使用固定的放大倍数，则无法满足多种型号的热式流量传感器模组的标定需求。

所以，本申请中通过在热式流量传感器模组内设置输出自适应放大电路，利用上位机2配置输出自适应放大电路的放大倍数，确保能够灵活地满足各种不同的需求。

本申请中的输出自适应放大电路包括：可编程增益放大器PGA以及与可编程增益放大器PGA适配的外部可配置放大电路，MEMS硅流量芯片的输出信号经外部可配置放大电路以及可编程增益放大器PGA依次放大，且在放大后经ADC电路转换后得到标定电压信号ADC值，存入到传感器模组内的MCU里面。

外部可配置放大电路包括：外部运算放大器芯片U5、电容C10、C11、C12和C14，数字电位器R3和电阻R2。

如图2所示，运算放大器芯片U5的OUTA端与可编程增益放大器PGA的同相端、电容C10的一端以及数字电位器R3的一端连接，电容C10的另一端以及数字电位器R3的另一端与运算放大器芯片U5的INA-端以及电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接收差分信号THERM-，差分信号THERM+与运算放大器芯片U5的INA+以及电容C14的一端连接，电容C14的另一端以及运算放大器芯片U5的VSS端连接，运算放大器芯片U5的VDD端与+5V电压、电容C10的一端以及电容C11的一端连接，电容C10的另一端以及电容C11的另一端均接地，可编程增益放大器PGA的输出端与模组微处理器MCU的ADC模块连接，经ADC模块转换后形成数字电压信号。

经过运算放大器芯片U5之后的信号，则U5的输出端OUTA的输出为：V

外部可配置放大电路中，通过调节由数字电位器R3构成的反馈电阻实现（1~100倍）放大或者缩小，确保自适应放大电路能够适应在不同型号的热式流量传感器中。

标定程序的最初，需要配置输出自适应放大电路的放大状态，确认当前的待标定传感器模组6最适宜的输出自适应放大电路的工作放大倍数，配置过程具体包括以下步骤。

b1：上位机控制输出自适应放大电路处于最大放大状态；

具体为上位机2设定数字电位器R3，使一级差分放大器U5处于满量程放大状态。

b2：上位机向MFC流量控制器，发出满量程输出命令，MFC流量控制器向待标定传感器模组内通入传感器满量程对应的预设流量状态的标定气体，将待标定传感器模组输出电压记作：待判断ADC值输出值。

b3：上位机判断待判断ADC值输出值是否超出待标定传感器模组中的ADC模块所能转换的范围；

如果超出了，则将设置输出自适应放大电路的放大倍数降低，循环执行步骤b2~b3；

否则，执行步骤b4。

b4：判断待判断ADC值输出值的分辨率是否合格；

如果合格，则将当前输出自适应放大电路的放大倍数记作工作放大倍数；

否则如果不合格，将待标定传感器模组标记为不合格产品，停止本次标定程序；

通常ADC值分辨率是越高越好，本实施例中，将小于0.1%的分辨率都判断为不合格。

配置输出自适应放大电路的放大状态时，整个过程均由上位机2根据分辨率是否合格以及ADC是否出现饱和的指标调整，确保可以高效快速地完成配置过程。基于本方法配置输出自适应放大电路的放大状态，在标定时，可以不需要重点关注MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号的大小，提高了MEMS硅流量芯片的利用率，否则，MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号离散程度高，会造成标定良率的大幅度降低，从而增加成本。预先自动配置输出自适应放大电路的放大状态，能够有效实现对热式流量传感器模组的气体流量标定，提高气体流量标定的精度，自动化程度高

在上位机2内，基于所发送的气体流量标定指令以及接收在气体流量标定指令下相应的标定电压信号ADC值，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态标定。

在上位机2中，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态标定时，标定方法包括以下步骤。

首先，确认输出自适应放大电路的工作放大倍数，并将输出自适应放大电路设置在工作放大倍数下工作。然后执行标定过程。

热式流量传感器模组常见的结果显示方法包括两种，一种是显示电压值（模拟数值），将当前检测到的气体流量值转换为电压值显示给用户，另一个是直接显示流量值（数字数值）。每种显示方法对应不同的标定参数。标定时可以将两种显示方法需要的标定参数都获取到并存储到热式流量传感器模组中。实际使用过程中，用户可以直接从传感器模组获取经过曲线拟合后模拟数值和数字流量值。

其中，针对模拟数值显示的标定参数的标定过程如下所示。

a1：读取待标定传感器模组对应的预设的输出范围，待标定传感器模组对应的输出范围包括：模拟电压范围和气体流量量程，将模拟电压输出范围记作：模拟量程；预期对应的气体流量量程记作：数字量程；

本实施例中，待标定传感器模组的模拟量程设置为：0.5V~4.5V，气体流量对应的数字量程为：0~50 SLM。

a2：基于模拟量程的范围，将模拟量程划分为N段，并形成N+1个标定采集点；

基于每个标定采集点的在模拟量程的范围内所占的量程百分比，确定每个标定采集点对应的标定气体的流量状态。

本实施例中，模拟量程的范围0.5V~4.5V，N取值为12，将模拟量程范围均分为12段，共有13个标定采集点。同样，将气体流量量程也均匀划分为12段，每个标定采集点对应的流量状态与标定采集点在模拟量程范围内的量程百分比适配。

a3：在每个标定采集点，上位机2控制MFC流量控制器4向待标定传感器模组内通入预设流量状态的标定气体。

上位机2控制MFC流量控制器4向待标定传感器模组内注入标定气体。

图3的实施例中，13个表标定采集点对应的气体流量为：0、4.2、8.4、.....、46.2和50。

第一个标定采集点对应的气体流量为0 SLM，第二个标定采集点对应的气体流量为4.2 SLM......第十二个标定采集点对应的气体流量为46.2 SLM，第十三个标定采集点对应的气体流量为50 SLM。

上位机2控制MFC流量控制器4向待标定传感器模组内，以4.2 SLM的流量状态注入标定气体。模组信息采集器3采集第一个标定采集点对应的标定电压信号为10mv，待标定传感器模组采集到的经过放大后标定电压ADC值为ADC4.2SLM。

然后上位机2控制MFC流量控制器4依次以后续标定采集点2~13对应的流量状态注入标定气体，直至所有的标定采集点对应的标定电压信号都采集完毕。

a4：将每个标定采集点对应的流量状态的AD值都存储到待标定传感器模组中。

每测试一个流量值，待标定传感器模组将流量值对应的AD值都存储起来。图3的实施例中，将13个表标定采集点对应的气体流量0、4.2、8.4、.....、46.2和50对应的数字量AD值都存到待标定传感器模组。

a5：上位机2通过数据采集卡获取传感器模组内当前标定采集点在标定气体下的标定电压信号放大后的ADC值，并按照从小到大顺序存入对应存储空间。

同时，上位机判断每个标定电压信号经过放大后ADC值的分辨率是否合格；

如果合格则执行步骤a6；

否则，将待标定传感器模组标记为不合格产品，停止本次标定程序。

a6：对任意两个标定采集点的标定电压信号放大后的ADC值，基于线性插值方法生成标定拟合线段。

a7：将所有的标定拟合线段构成一条曲线，记作：拟合标定曲线；

如图4所示，拟合标定曲线的横坐标为：气体流量点序号，纵坐标为：标定电压信号（图中标记为输出电压）。

a8：计算拟合标定曲线上的每一个采集点对应的待标定传感器模组的输出电压VP；

VP

其中，P

VP

a9：计算每个标定采集点P

CODEDAC_i = ( VP

其中，Vref代表DAC的基准电压；n表示DAC的位数。

由于Vref是由产品内部基准源芯片决定的，每颗芯片都会有所不同，芯片间的最大误差会达到50mV，会使产品的精度误差达到1%。为了解决这个精度误差问题，本方法在标定时上位机会发送命令给待标定传感器模组中的mcu，使待标定传感器模组DAC满量程输出命令，mcu会设置DAC满量程输出，上位机读取万用表获得Vref基准电压，读取的电压值基本能控制在2mV以内。按照此方式再结合分段线性插值法的拟合方法，最终标定成品的精度能控制在1%FS范围之内。

a10：将每个标定采集点对应的CODEDAC作为标定参数存储到待标定传感器模组中；

至此，得到了待标定传感器模组的MEMS硅流量芯片输出的原始传感信号与气体流量SLM之间关系的拟合关系，完成了标定过程。本方法是基于待标定传感器模组本身的量程和MEMS硅流量芯片进行标定，确保得到的标定参数是完全符合待标定传感器模组的器件特征和测量要求，进而确保了后续实际检测的结果的准确性。

在有了上述的拟合方案后，需要选择合适的满量程的分段点N。一方面N设定越大，最终的拟合效果越趋于线性化，精度越高，另外一方面N取值大会带来标定时间的增加影响标定效率。如图4所示，当N取值为8、12和16，分布按照上述a1~a10的步骤进行拟合，在比较多组N拟合效果来看，选取了N=12这个分段区间最为合适，一方面输出精度达到产品要求，另外标定时间也在可接受范围之内。

完成标定的热式流量传感器模组中存储了N段区间的DAC的CODE，以及系统采集P1~P13中的13个流量点的AD值AD1,AD2

标定参数包括数字标定参数以及模拟标定参数。本实施例中，模拟量程（电压）和数字量程（气体流量）同时使用的标定参数有PGA和自适应放大电路放大倍数、采集到的标定流量ADC值，待标定气体流量量程Flow。除此之外模拟量程标定参数还包括 ：每个标定采集点对应的CODEDAC，数字量程标定参数还包括：待标定气体流量量程Flow*K。

使用模拟量显示的热式流量传感器模组基于标定方法获得的标定参数进行气体流量检测时，包括以下步骤。

d1：使用标定后的传感器模组进行气体流量检测时，传感器模组接收输入的待测试气体流量后，读取接收到的待测试气体对应的流量AD值，记作：待确认AD值。

d2：读取步骤a5中传感器模组中存储的所有标定采集点对应的流量AD值。

d3：找到待确认AD值所属的标准AD值区间，记作：待确认区间[P

其中，P

d4：计算待确认AD值对应的输出电压二进制DAC值；

设所述待确认AD值对应气体流量点m，则计算方法为：

CODE DAC_m =CODEDAC_P

其中，CODE DAC_m 表示待标定传感器模组在流量m点设定的电压二进制DAC值，

CODEDAC_P

AD

d5：基于二进制DAC值CODE DAC_m，计算得到待标定传感器模组的输出电压VP后，传感器模组输出气体流量点m对应的电压，完成气体流量检测。

针对数字数值显示的标定参数的标定过程如下所示。

在上位机中，对当前热式流量传感器模组的气体流量测量状态标定时，标定方法包括以下步骤：

上位机将标定气体的流量的满量程 Flow_FS，以Flow_FS*K的形式作为标定参数存储到待标定传感器模组中；

其中，Flow_FS的单位SLM，K为气体流量校准参数，由于传感器模组只能接受整数，若直接传入Flow参数则会影响分辨率问题，假设满量程50SLM，则传感器输出的流量最小流量只有1SLM，分辨率2%。在乘以K后，输出值会相应扩大，可以精确到小数，解决了分辨率的问题，取值为正整数。本实施例中，K=100，以符合0.1%分辨率的要求。

使用数字量显示的热式流量传感器模组基于标定方法获得的标定参数进行气体流量检测时，包括以下步骤：

e1：使用标定后的传感器模组进行气体流量检测时，传感器模组接收输入的待测试气体流量后，读取接收到的待测试气体对应的流量AD值，记作：ADx；

e2：读取传感器模组中存储的满量程 Flow_FS的值；

e3：在0~满量程 Flow_FS之间，找到ADx所属的区间，记作：待确认区间[P

e4：按照分段线性拟合方式计算待测试气体对应的输出；

在[P

Flow

其中：

Flow

Flow

其中，VFULLSCALE 为流量满量程对应的模拟输出电压；

V

VZERO 为零点流量时候的模拟输出电压。

热式流量传感器模组一般可以测量多种气体类型的流量，但在标定时，若使用多种类型的气体分别进行标定，一方面是气源等来回切换比较麻烦，更重要的是一些气体属于稀有气体或者是危险气体，价格昂贵，存储方式比较特殊，导致标定较为麻烦且成本较大。

所以，本方法中在上位机2内设置不同待测试气体相对于标定气体的气体标定转换系数；系数用于在标定前设置流量控制器。流量控制器可以根据所给的转换系数来使用标定气体模拟其他气体进行标定，进而完成不同气体的标定过程。

本实施例中，从成本和安全行上考虑，将标定气体选择为空气，当将空气作为标定的气体时，在上位机2内设置气体相对于空气的气体标定转换系数，如气体标定转行系数设置如下：

二氧化碳的转换系数为：0.712；

氧气的转换系数为：0.917；

氩气的转换系数为：1.067；

氮气的转换系数为：1.001。

气体流量计算公式是：Q = V * A，其中Q表示气体流量，V表示气体流速，A表示气体流通截面积。

例如，当使用空气模拟二氧化碳的时候，1 SLM空气相当于0.712 SLM的二氧化碳。

此时，根据气体标定转行系数，可在利用空气作为标定气体，实现热式流量传感器模组对不同气体的气体流量测量的标定，以及标定后对相应气体的流量测量。

同时，测试数据对于一个标定系统极为重要，通过测试数据可以得出产品性能参数的分布，当发生异常时可以快速找到原因，另外一方面可以追踪溯源，客户投诉发生时，可以了解到当时标定的状态。本方法中，当标定完成之后，将标定系统在标定过程中使用到的相关数据作为测试数据保存到系统中，测试数据包括：标定时间，批号，产品型号，测试项目（含上下限）以及具体测试数据。这些数据以固定格式文件名保存起来方便后续查找。定义的文件名格式：产品型号_批号_起始产品SN_最终产品SN_标定时间。有了这些信息，可以很方便按其中的一个进行索引，快速找到相关测试数据。所有的测试数据都会自动传到服务器上，以方便任何有权限的用户随时调取查看。