Εύλογη αντιστάθμιση σφαλμάτωναισθητήρες πίεσηςείναι το κλειδί για την αίτησή τους. Οι αισθητήρες πίεσης έχουν κυρίως σφάλμα ευαισθησίας, σφάλμα μετατόπισης, σφάλμα υστέρησης και γραμμικό σφάλμα. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει τους μηχανισμούς αυτών των τεσσάρων σφαλμάτων και τον αντίκτυπό τους στα αποτελέσματα των δοκιμών. Ταυτόχρονα, θα εισαγάγει μεθόδους βαθμονόμησης πίεσης και παραδείγματα εφαρμογής για τη βελτίωση της ακρίβειας μέτρησης.
Επί του παρόντος, υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία αισθητήρων στην αγορά, η οποία επιτρέπει στους μηχανικούς σχεδιασμού να επιλέξουν τους αισθητήρες πίεσης που απαιτούνται για το σύστημα. Αυτοί οι αισθητήρες περιλαμβάνουν τόσο τους πιο βασικούς μετασχηματιστές όσο και τους πιο πολύπλοκους αισθητήρες υψηλής ολοκλήρωσης με κυκλώματα on-chip. Λόγω αυτών των διαφορών, οι μηχανικοί σχεδιασμού πρέπει να προσπαθούν να αντισταθμίσουν τα σφάλματα μέτρησης σε αισθητήρες πίεσης, γεγονός που αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για να εξασφαλιστεί ότι οι αισθητήρες πληρούν τις απαιτήσεις σχεδιασμού και εφαρμογής. Σε ορισμένες περιπτώσεις, η αποζημίωση μπορεί επίσης να βελτιώσει τη συνολική απόδοση των αισθητήρων σε εφαρμογές.
Οι έννοιες που συζητούνται σε αυτό το άρθρο ισχύουν για το σχεδιασμό και την εφαρμογή διαφόρων αισθητήρων πίεσης, οι οποίοι έχουν τρεις κατηγορίες:
1 βασική ή μη αντισταθμισμένη βαθμονόμηση.
2. Υπάρχει αντιστάθμιση βαθμονόμησης και θερμοκρασίας.
3. Έχει βαθμονόμηση, αντιστάθμιση και ενίσχυση.
Η μετατόπιση, η βαθμονόμηση της εμβέλειας και η αντιστάθμιση θερμοκρασίας μπορούν να επιτευχθούν μέσω δικτύων αντιστάσεων λεπτού φιλμ, τα οποία χρησιμοποιούν διόρθωση λέιζερ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας συσκευασίας. Αυτός ο αισθητήρας χρησιμοποιείται συνήθως σε συνδυασμό με έναν μικροελεγκτή και το ενσωματωμένο λογισμικό του ίδιου του μικροελεγκτή καθιερώνει το μαθηματικό μοντέλο του αισθητήρα. Αφού ο μικροελεγκτής διαβάσει την τάση εξόδου, το μοντέλο μπορεί να μετατρέψει την τάση σε τιμή μέτρησης πίεσης μέσω του μετασχηματισμού του αναλογικού σε ψηφιακό μετατροπέα.
Το απλούστερο μαθηματικό μοντέλο για τους αισθητήρες είναι η λειτουργία μεταφοράς. Το μοντέλο μπορεί να βελτιστοποιηθεί σε όλη τη διαδικασία βαθμονόμησης και η ωριμότητά του θα αυξηθεί με την αύξηση των σημείων βαθμονόμησης.
Από τη μετρολογική άποψη, το σφάλμα μέτρησης έχει έναν αρκετά αυστηρό ορισμό: χαρακτηρίζει τη διαφορά μεταξύ της μετρημένης πίεσης και της πραγματικής πίεσης. Ωστόσο, συνήθως δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί άμεσα η πραγματική πίεση, αλλά μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα πρότυπα πίεσης. Οι μετρολόγοι χρησιμοποιούν συνήθως όργανα με ακρίβεια τουλάχιστον 10 φορές υψηλότερα από τον μετρούμενο εξοπλισμό ως πρότυπα μέτρησης.
Λόγω του γεγονότος ότι τα μη βαθμονομημένα συστήματα μπορούν να μετατρέψουν μόνο την τάση εξόδου σε πίεση χρησιμοποιώντας τυπικές τιμές ευαισθησίας και μετατόπισης.
Αυτό το μη βαθμονομημένο αρχικό σφάλμα αποτελείται από τα ακόλουθα στοιχεία:
1. Σφάλμα ευαισθησίας: Το μέγεθος του που δημιουργείται είναι ανάλογο της πίεσης. Εάν η ευαισθησία της συσκευής είναι υψηλότερη από την τυπική τιμή, το σφάλμα ευαισθησίας θα είναι μια αυξανόμενη συνάρτηση της πίεσης. Εάν η ευαισθησία είναι χαμηλότερη από την τυπική τιμή, το σφάλμα ευαισθησίας θα είναι μια μειωμένη συνάρτηση της πίεσης. Ο λόγος για αυτό το σφάλμα οφείλεται σε αλλαγές στη διαδικασία διάχυσης.
2. Σφάλμα μετατόπισης: Λόγω της σταθερής κατακόρυφης μετατόπισης σε ολόκληρο το εύρος πίεσης, οι αλλαγές στη διάχυση του μετασχηματιστή και στη διόρθωση ρύθμισης λέιζερ θα οδηγήσουν σε σφάλματα αντιστάθμισης.
3. Σφάλμα καθυστέρησης: Στις περισσότερες περιπτώσεις, το σφάλμα καθυστέρησης μπορεί να αγνοηθεί πλήρως επειδή οι πλακές πυριτίου έχουν υψηλή μηχανική δυσκαμψία. Γενικά, το σφάλμα υστέρησης πρέπει μόνο να ληφθεί υπόψη σε καταστάσεις όπου υπάρχει σημαντική αλλαγή στην πίεση.
4. Γραμμικό σφάλμα: Αυτός είναι ένας παράγοντας που έχει σχετικά μικρό αντίκτυπο στο αρχικό σφάλμα, το οποίο προκαλείται από τη φυσική μη γραμμικότητα του δισκίου πυριτίου. Ωστόσο, για τους αισθητήρες με ενισχυτές, πρέπει επίσης να συμπεριληφθεί η μη γραμμικότητα του ενισχυτή. Η καμπύλη γραμμικού σφάλματος μπορεί να είναι μια κοίλη καμπύλη ή μια κυρτή καμπύλη.
Η βαθμονόμηση μπορεί να εξαλείψει ή να μειώσει σημαντικά αυτά τα σφάλματα, ενώ οι τεχνικές αντιστάθμισης συνήθως απαιτούν τον προσδιορισμό των παραμέτρων της πραγματικής συνάρτησης μεταφοράς του συστήματος, αντί να χρησιμοποιούν απλώς τυπικές τιμές. Τα ποτενσιόμετρα, οι ρυθμιζόμενες αντιστάσεις και το άλλο υλικό μπορούν να χρησιμοποιηθούν όλα στη διαδικασία αντιστάθμισης, ενώ το λογισμικό μπορεί να εφαρμόσει πιο ευέλικτα αυτό το έργο αντιστάθμισης σφαλμάτων.
Η μέθοδος βαθμονόμησης ενός σημείου μπορεί να αντισταθμίσει τα σφάλματα αντιστάθμισης εξαλείφοντας την μετατόπιση στο μηδενικό σημείο της συνάρτησης μεταφοράς και αυτός ο τύπος μέθοδος βαθμονόμησης ονομάζεται αυτόματη μηδενική. Η βαθμονόμηση μετατόπισης εκτελείται συνήθως με μηδενική πίεση, ειδικά σε διαφορικούς αισθητήρες, καθώς η διαφορική πίεση είναι τυπικά 0 υπό ονομαστικές συνθήκες. Για τους καθαρούς αισθητήρες, η βαθμονόμηση μετατόπισης είναι πιο δύσκολη επειδή είτε απαιτεί ένα σύστημα ανάγνωσης πίεσης για τη μέτρηση της βαθμονομημένης τιμής πίεσης υπό συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης περιβάλλοντος είτε για έναν ελεγκτή πίεσης για να επιτευχθεί η επιθυμητή πίεση.
Η βαθμονόμηση μηδενικής πίεσης των διαφορικών αισθητήρων είναι πολύ ακριβής επειδή η πίεση βαθμονόμησης είναι αυστηρά μηδενική. Από την άλλη πλευρά, η ακρίβεια βαθμονόμησης όταν η πίεση δεν είναι μηδενική εξαρτάται από την απόδοση του ελεγκτή πίεσης ή του συστήματος μέτρησης.
Επιλέξτε πίεση βαθμονόμησης
Η επιλογή της πίεσης βαθμονόμησης είναι πολύ σημαντική καθώς καθορίζει το εύρος πίεσης που επιτυγχάνει την καλύτερη ακρίβεια. Στην πραγματικότητα, μετά τη βαθμονόμηση, το πραγματικό σφάλμα μετατόπισης ελαχιστοποιείται στο σημείο βαθμονόμησης και παραμένει σε μικρή τιμή. Επομένως, το σημείο βαθμονόμησης πρέπει να επιλεγεί με βάση το εύρος πίεσης στόχου και το εύρος πίεσης μπορεί να μην είναι σύμφωνο με το εύρος λειτουργίας.
Προκειμένου να μετατραπεί η τάση εξόδου σε τιμή πίεσης, η τυπική ευαισθησία χρησιμοποιείται συνήθως για βαθμονόμηση ενός σημείου σε μαθηματικά μοντέλα, επειδή η πραγματική ευαισθησία είναι συχνά άγνωστη.
Μετά την εκτέλεση της βαθμονόμησης μετατόπισης (PCAL = 0), η καμπύλη σφάλματος δείχνει μια κατακόρυφη μετατόπιση σε σχέση με τη μαύρη καμπύλη που αντιπροσωπεύει το σφάλμα πριν από τη βαθμονόμηση.
Αυτή η μέθοδος βαθμονόμησης έχει αυστηρότερες απαιτήσεις και υψηλότερο κόστος εφαρμογής σε σύγκριση με τη μέθοδο βαθμονόμησης ενός σημείου. Ωστόσο, σε σύγκριση με τη μέθοδο βαθμονόμησης σημείων, αυτή η μέθοδος μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια του συστήματος επειδή όχι μόνο βαθμονομεί την μετατόπιση, αλλά και βαθμονομεί την ευαισθησία του αισθητήρα. Επομένως, σε υπολογισμό σφάλματος, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πραγματικές τιμές ευαισθησίας αντί για άτυπες τιμές.
Εδώ, η βαθμονόμηση εκτελείται υπό συνθήκες 0-500 megapascals (πλήρης κλίμακα). Δεδομένου ότι το σφάλμα στα σημεία βαθμονόμησης είναι κοντά στο μηδέν, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ρυθμίσετε σωστά αυτά τα σημεία προκειμένου να ληφθεί το ελάχιστο σφάλμα μέτρησης εντός του αναμενόμενου εύρους πίεσης.
Ορισμένες εφαρμογές απαιτούν τη διατήρηση υψηλής ακρίβειας σε όλο το εύρος πίεσης. Σε αυτές τις εφαρμογές, η μέθοδος βαθμονόμησης πολλαπλών σημείων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί τα πιο ιδανικά αποτελέσματα. Στη μέθοδο βαθμονόμησης πολλαπλών σημείων, δεν λαμβάνονται υπόψη μόνο τα σφάλματα αντιστάθμισης και ευαισθησίας, αλλά λαμβάνονται υπόψη τα περισσότερα γραμμικά σφάλματα. Το μαθηματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται εδώ είναι ακριβώς το ίδιο με τη βαθμονόμηση δύο σταδίων για κάθε διάστημα βαθμονόμησης (μεταξύ δύο σημείων βαθμονόμησης).
Βαθμονόμηση τριών σημείων
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, το γραμμικό σφάλμα έχει συνεπή μορφή και η καμπύλη σφάλματος συμμορφώνεται με την καμπύλη μιας τετραγωνικής εξίσωσης, με προβλέψιμο μέγεθος και σχήμα. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για τους αισθητήρες που δεν χρησιμοποιούν ενισχυτές, καθώς η μη γραμμικότητα του αισθητήρα βασίζεται θεμελιωδώς σε μηχανικούς λόγους (που προκαλείται από την πίεση λεπτής μεμβράνης του πλακιδίου πυριτίου).
Η περιγραφή των γραμμικών χαρακτηριστικών σφάλματος μπορεί να ληφθεί με τον υπολογισμό του μέσου γραμμικού σφάλματος των τυπικών παραδειγμάτων και τον προσδιορισμό των παραμέτρων της πολυωνυμικής λειτουργίας (A × 2+BX+C). Το μοντέλο που λαμβάνεται μετά τον προσδιορισμό των Α, Β και C είναι αποτελεσματικό για τους αισθητήρες του ίδιου τύπου. Αυτή η μέθοδος μπορεί να αντισταθμίσει αποτελεσματικά τα γραμμικά σφάλματα χωρίς την ανάγκη για ένα τρίτο σημείο βαθμονόμησης.
Χρόνος δημοσίευσης: Φεβ-27-2025