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技術(shù)文章
壓力傳感器的精度誤差補(bǔ)償方法
作者:admin 發(fā)布時(shí)間:2015/10/29 18:29:09 瀏覽次數(shù):1872
目前市場(chǎng)上傳感器種類豐富多樣，這使得設(shè)計(jì)工程師可以選擇系統(tǒng)所需的壓力傳感器。這些傳感器既包括最基本的變換器，也包括更為復(fù)雜的帶有片上電路的高集成度傳感器。由于存在這些差異，設(shè)計(jì)工程師必須盡可能夠補(bǔ)償壓力傳感器的測(cè)量誤差，這是保證傳感器滿足設(shè)計(jì)和應(yīng)用要求的重要步驟。在某些情況下，補(bǔ)償還能提高傳感器在應(yīng)用中的整體性能。
偏移量、范圍標(biāo)定以及溫度補(bǔ)償均可以通過(guò)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，這種薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)在封裝過(guò)程中采用激光修正。
該傳感器通常與微控制器結(jié)合使用，而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數(shù)學(xué)模型。微控制器讀取了輸出電壓后，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的變換，該模型可以將電壓量轉(zhuǎn)換為壓力測(cè)量值。
傳感器最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型即為傳遞函數(shù)。該模型可在整個(gè)標(biāo)定過(guò)程中進(jìn)行優(yōu)化，并且模型的成熟度將隨標(biāo)定點(diǎn)的增加而增加。
從計(jì)量學(xué)的角度看，測(cè)量誤差具有相當(dāng)嚴(yán)格的定義：它表征了測(cè)量壓力與實(shí)際壓力之間的差異。而通常無(wú)法直接得到實(shí)際壓力，但可以通過(guò)采用適當(dāng)?shù)膲毫?biāo)準(zhǔn)加以估計(jì)，計(jì)量人員通常采用那些精度比被測(cè)設(shè)備高出至少 10 倍的儀器作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
由于未經(jīng)標(biāo)定的系統(tǒng)只能使用典型的靈敏度和偏移值將輸出電壓轉(zhuǎn)換為壓力，測(cè)得的壓力將產(chǎn)生如圖 1 所示的誤差。
這種未經(jīng)標(biāo)定的初始誤差由以下幾個(gè)部分組成：
a. 偏移量誤差。由于在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定，因此變換器擴(kuò)散和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。
b. 靈敏度誤差，產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過(guò)程的變化。
c. 線性誤差。這是一個(gè)對(duì)初始誤差影響較小的因素，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對(duì)于帶放大器的傳感器，還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線。
d. 滯后誤差：在大多數(shù)情形中，滯后誤差完全可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣杵哂泻芨叩臋C(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。
標(biāo)定可消除或極大地減小這些誤差，而補(bǔ)償技術(shù)通常要求確定系統(tǒng)實(shí)際傳遞函數(shù)的參數(shù)，而不是簡(jiǎn)單的使用典型值。電位計(jì)、可調(diào)電阻以及其他硬件均可在補(bǔ)償過(guò)程中采用，而軟件則能更靈活地實(shí)現(xiàn)這種誤差補(bǔ)償工作。
一點(diǎn)標(biāo)定法可通過(guò)消除傳遞函數(shù)零點(diǎn)處的漂移來(lái)補(bǔ)償偏移量誤差，這類標(biāo)定方法稱為自動(dòng)歸零。
偏移量標(biāo)定通常在零壓力下進(jìn)行，特別是在差動(dòng)傳感器中，因?yàn)樵跇?biāo)稱條件下差動(dòng)壓力通常為 0 。對(duì)于純傳感器，偏移量標(biāo)定則要困難一些，因?yàn)樗葱枰粋€(gè)壓力讀取系統(tǒng)，用以測(cè)量其在環(huán)境大氣壓力條件下的標(biāo)定壓力值，要么需要獲取期望壓力的壓力控制器。
變動(dòng)傳感器的零壓力標(biāo)定非常精確，因?yàn)闃?biāo)定壓力嚴(yán)格為 0 。另一方面，壓力不為 0 時(shí)的標(biāo)定精確度取決于壓力控制器或測(cè)量系統(tǒng)的性能。
選擇標(biāo)定壓力
標(biāo)定壓力的選取非常重要，因其決定了獲取最佳精度的壓力范圍。實(shí)際上，經(jīng)過(guò)標(biāo)定后實(shí)際的偏移量誤差在標(biāo)定點(diǎn)處最小并一直保持較小的值。因此，標(biāo)定點(diǎn)必須根據(jù)目標(biāo)壓力范圍加以選擇，而壓力范圍可以不與工作范圍相一致。
為了將輸出電壓轉(zhuǎn)換為壓力值，由于實(shí)際的靈敏度往往是未知，因此在數(shù)學(xué)模型中通常采用典型靈敏度進(jìn)行單點(diǎn)標(biāo)定。
紅色曲線表示進(jìn)行偏移量標(biāo)定（ PCAL=0 ）后的誤差曲線，可以發(fā)現(xiàn)誤差曲線相對(duì)于表示標(biāo)定前誤差的黑色曲線產(chǎn)生了垂直偏移。
這種標(biāo)定方法與一點(diǎn)標(biāo)定法相比要求更為嚴(yán)格，實(shí)現(xiàn)成本也更高。然而與一點(diǎn)標(biāo)定法相比，該方法可顯著提高系統(tǒng)的精度，因?yàn)樵摲椒ú粌H標(biāo)定了偏移量，還標(biāo)定了傳感器的靈敏度。因此在誤差計(jì)算中可以使用靈敏度實(shí)際值，而非典型值。
綠色曲線表示精度提高。在這里，標(biāo)定是在 0 至 500 兆巴（滿標(biāo)度）條件下進(jìn)行。由于在標(biāo)定點(diǎn)上誤差接近于 0 ，因此為了在期望的壓力范圍內(nèi)得到最小的測(cè)量誤差，正確地設(shè)定這些點(diǎn)就顯得尤為重要。某些應(yīng)用中要求在整個(gè)壓力范圍內(nèi)保持較高的精確度。在這些應(yīng)用中，可以采用多點(diǎn)標(biāo)定法來(lái)得到最理想的結(jié)果。在多點(diǎn)標(biāo)定法中，不僅考慮了偏移量和靈敏度誤差，還考慮了大部分的線性誤差，紫紅色曲線所示。這兒用的數(shù)學(xué)模型與每個(gè)標(biāo)定間距（在兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)之間）的兩級(jí)標(biāo)定完全一樣。
三點(diǎn)標(biāo)定
如前所述，線性誤差具有一致的形式，且誤差曲線符合二次方程的曲線，具有可預(yù)測(cè)的大小和形狀。對(duì)于未采用放大器的傳感器更是如此，因?yàn)閭鞲衅鞯姆蔷€性從本質(zhì)上是基于機(jī)械原因（這是由硅片的薄膜壓力引起）。
線性誤差特性的描述可以通過(guò)計(jì)算典型實(shí)例的平均線性誤差，確定多項(xiàng)式函數(shù)（ a × 2+bx+c ）的參數(shù)而得到。確定了 a 、 b 和 c 后得到的模型對(duì)于相同類型的傳感器都是有效的。該方法能在無(wú)需第 3 個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的情況下有效地補(bǔ)償線性誤差。
該誤差補(bǔ)償方法只需兩點(diǎn)標(biāo)定即可將低成本傳感器改進(jìn)為高性能器件（誤差小于滿標(biāo)度的 0.05% ）。
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