Fejlkompensation af tryksensor

Rimelig fejlkompensation afTryksensorerer nøglen til deres ansøgning. Tryksensorer har hovedsageligt følsomhedsfejl, offsetfejl, hysteresefejl og lineær fejl. Denne artikel introducerer mekanismerne for disse fire fejl og deres indflydelse på testresultater. På samme tid vil det introducere trykkalibreringsmetoder og applikationseksempler for at forbedre målingsnøjagtigheden.

På nuværende tidspunkt er der en lang række sensorer på markedet, som giver designingeniører mulighed for at vælge de tryksensorer, der kræves til systemet. Disse sensorer inkluderer både de mest basale transformere og mere komplekse sensorer med høj integration med on-chip kredsløb. På grund af disse forskelle skal designingeniører stræbe efter at kompensere for målefejl i tryksensorer, hvilket er et vigtigt trin i at sikre, at sensorerne opfylder design- og applikationskravene. I nogle tilfælde kan kompensation også forbedre sensorernes samlede ydelse i applikationer.

De koncepter, der diskuteres i denne artikel, gælder for design og anvendelse af forskellige tryksensorer, som har tre kategorier:

1. grundlæggende eller ukompenseret kalibrering;

2. der er kalibrering og temperaturkompensation;

3.. Det har kalibrering, kompensation og amplifikation.

Offset, områdekalibrering og temperaturkompensation kan alle opnås gennem tynde filmmodstandsnetværk, der bruger laserkorrektion under emballageprocessen. Denne sensor bruges normalt i forbindelse med en mikrokontroller, og den indlejrede software fra selve mikrokontrolleren etablerer sensorens matematiske model. Efter at mikrokontrolleren læser udgangsspændingen, kan modellen konvertere spændingen til en trykmålingsværdi gennem transformationen af ​​den analoge-til-digitale konverter.

Den enkleste matematiske model for sensorer er overførselsfunktionen. Modellen kan optimeres gennem hele kalibreringsprocessen, og dens modenhed vil stige med stigningen i kalibreringspunkter.

Fra et metrologisk perspektiv har målefejl en ret streng definition: den kendetegner forskellen mellem målt tryk og faktisk pres. Det er dog normalt ikke muligt at opnå det faktiske pres direkte, men det kan estimeres ved at bruge passende trykstandarder. Metrologer bruger normalt instrumenter med en nøjagtighed mindst 10 gange højere end det målte udstyr som målestandarder.

På grund af det faktum, at ukalibrerede systemer kun kan konvertere udgangsspænding til tryk ved hjælp af typisk følsomhed og offsetværdier.

Denne ukalibrerede indledende fejl består af følgende komponenter:

1. Følsomhedsfejl: Størrelsen af ​​den genererede fejl er proportional med trykket. Hvis enhedens følsomhed er højere end den typiske værdi, vil følsomhedsfejlen være en stigende funktion af trykket. Hvis følsomheden er lavere end den typiske værdi, vil følsomhedsfejlen være en faldende funktion af trykket. Årsagen til denne fejl skyldes ændringer i diffusionsprocessen.

2. Offsetfejl: På grund af den konstante lodrette forskydning i hele trykområdet, vil ændringer i transformerdiffusion og laserjusteringskorrektion resultere i forskydningsfejl.

3. forsinkelsesfejl: I de fleste tilfælde kan der ignoreres forsinkelsesfejl fuldstændigt, fordi siliciumskiver har høj mekanisk stivhed. Generelt skal hysteresefejl kun overvejes i situationer, hvor der er en betydelig ændring i tryk.

4. lineær fejl: Dette er en faktor, der har en relativt lille indflydelse på den oprindelige fejl, der er forårsaget af den fysiske ikke -linearitet af siliciumskiven. For sensorer med forstærkere bør imidlertid ikke -lineariteten af ​​forstærkeren også inkluderes. Den lineære fejlkurve kan være en konkav kurve eller en konveks kurve.

Kalibrering kan eliminere eller reducere disse fejl i høj grad, mens kompensationsteknikker typisk kræver bestemmelse af parametrene for den faktiske overførselsfunktion af systemet i stedet for blot at bruge typiske værdier. Potentiometre, justerbare modstande og anden hardware kan alle bruges i kompensationsprocessen, mens software mere fleksibelt kan implementere dette fejlkompensationsarbejde.

Den ene punktkalibreringsmetode kan kompensere for forskydningsfejl ved at eliminere drift ved nulpunktet for overførselsfunktionen, og denne type kalibreringsmetode kaldes automatisk nulstilling. Offset kalibrering udføres normalt ved nultryk, især i differentielle sensorer, da differentielt tryk typisk er 0 under nominelle forhold. For rene sensorer er offset -kalibrering vanskeligere, fordi den enten kræver et tryklæsningssystem for at måle det kalibrerede trykværdi under omgivende atmosfæriske trykbetingelser eller en trykcontroller for at opnå det ønskede tryk.

Nultrykkalibreringen af ​​differentielle sensorer er meget nøjagtig, fordi kalibreringstrykket er strengt nul. På den anden side afhænger kalibreringsnøjagtigheden, når trykket ikke er nul, af ydelsen af ​​trykcontrolleren eller målesystemet.

Vælg kalibreringstryk

Valget af kalibreringstryk er meget vigtigt, da det bestemmer det trykområde, der opnår den bedste nøjagtighed. Faktisk minimeres den faktiske forskydningsfejl efter kalibrering ved kalibreringspunktet og forbliver ved en lille værdi. Derfor skal kalibreringspunktet vælges baseret på måltrykområdet, og trykområdet er muligvis ikke i overensstemmelse med arbejdsområdet.

For at konvertere udgangsspændingen til en trykværdi bruges typisk følsomhed normalt til kalibrering af enkelt punkt i matematiske modeller, fordi den faktiske følsomhed ofte er ukendt.

Efter at have udført offset -kalibrering (PCAL = 0) viser fejlkurven en lodret offset i forhold til den sorte kurve, der repræsenterer fejlen før kalibrering.

Denne kalibreringsmetode har strengere krav og højere implementeringsomkostninger sammenlignet med den ene punktkalibreringsmetode. Sammenlignet med Point -kalibreringsmetoden kan denne metode imidlertid forbedre systemets nøjagtighed markant, fordi den ikke kun kalibrerer forskydningen, men også kalibrerer sensorens følsomhed. Derfor kan der i fejlberegning bruges faktiske følsomhedsværdier i stedet for atypiske værdier.

Her udføres kalibrering under betingelser på 0-500 megapascaler (fuld skala). Da fejlen ved kalibreringspunkterne er tæt på nul, er det især vigtigt at indstille disse punkter korrekt for at opnå minimum målefejl inden for det forventede trykområde.

Nogle applikationer kræver, at høj præcision opretholdes i hele trykområdet. I disse applikationer kan multipunktskalibreringsmetoden bruges til at opnå de mest ideelle resultater. I multi-punkts kalibreringsmetoden overvejes ikke kun modregning og følsomhedsfejl, men også de fleste lineære fejl tages i betragtning. Den matematiske model, der er anvendt her, er nøjagtigt den samme som den to-trins kalibrering for hvert kalibreringsinterval (mellem to kalibreringspunkter).

Tre -punkts kalibrering

Som nævnt tidligere har lineær fejl en konsekvent form, og fejlkurven er i overensstemmelse med kurven for en kvadratisk ligning med forudsigelig størrelse og form. Dette gælder især for sensorer, der ikke bruger forstærkere, da sensorens ikke -linearitet grundlæggende er baseret på mekaniske årsager (forårsaget af det tynde filmtryk af siliciumskiven).

Beskrivelsen af ​​lineære fejlkarakteristika kan opnås ved at beregne den gennemsnitlige lineære fejl for typiske eksempler og bestemme parametrene for den polynomiske funktion (A × 2+Bx+C). Modellen opnået efter bestemmelse af A, B og C er effektiv for sensorer af samme type. Denne metode kan effektivt kompensere for lineære fejl uden behov for et tredje kalibreringspunkt.