Primeraná kompenzácia chýbsenzory tlakuje kľúčom k ich aplikácii. Tlakové senzory majú hlavne chybu citlivosti, chybu v ofsetu, chybu hysterézie a lineárnu chybu. Tento článok predstaví mechanizmy týchto štyroch chýb a ich vplyv na výsledky testov. Zároveň zavedie tlakové kalibračné metódy a príklady aplikácií na zlepšenie presnosti merania.
V súčasnosti je na trhu široká škála senzorov, ktoré umožňujú inžinierov dizajnérov zvoliť tlakové senzory potrebné pre systém. Tieto senzory zahŕňajú najzákladnejšie transformátory a zložitejšie senzory s vysokou integráciou s obvodmi na čipoch. Vzhľadom na tieto rozdiely sa musia inžinieri navrhovania usilovať o kompenzáciu chýb merania v senzoroch tlaku, čo je dôležitým krokom pri zabezpečovaní toho, aby senzory spĺňajú požiadavky na návrhy a aplikáciu. V niektorých prípadoch môže kompenzácia tiež zlepšiť celkový výkon senzorov v aplikáciách.
Koncepty diskutované v tomto článku sa vzťahujú na návrh a použitie rôznych tlakových senzorov, ktoré majú tri kategórie:
1. Základná alebo nekompenzovaná kalibrácia;
2. Existuje kalibrácia a kompenzácia teploty;
3. Má kalibráciu, kompenzáciu a zosilnenie.
Kalibrácia, kalibrácia rozsahu a kompenzácia teploty sa dajú dosiahnuť pomocou sietí tenkých filmových rezistorov, ktoré počas procesu balenia používajú korekciu laseru. Tento senzor sa zvyčajne používa v spojení s mikrokontrolérom a zabudovaný softvér mikrokontroléra samotného vytvára matematický model senzora. Po tom, čo mikrokontrolér načíta výstupné napätie, model môže previesť napätie na hodnotu merania tlaku transformáciou analóg-digitálneho prevodníka.
Najjednoduchší matematický model pre senzory je funkcia prenosu. Model sa dá optimalizovať počas celého kalibračného procesu a jeho zrelosť sa zvýši so zvýšením kalibračných bodov.
Z metrologického hľadiska má chyba merania pomerne prísnu definíciu: charakterizuje rozdiel medzi nameraným tlakom a skutočným tlakom. Zvyčajne však nie je možné priamo získať skutočný tlak, ale dá sa odhadnúť pomocou vhodných tlakových štandardov. Metroológovia zvyčajne používajú prístroje s presnosťou najmenej 10 -krát vyššie ako namerané zariadenie ako štandardy merania.
Vzhľadom na skutočnosť, že nekalibrované systémy môžu previesť výstupné napätie na tlak iba pomocou typickej citlivosti a posunových hodnôt.
Táto nekalibrovaná počiatočná chyba pozostáva z nasledujúcich komponentov:
1. Chyba citlivosti: Veľkosť generovanej chyby je úmerná tlaku. Ak je citlivosť zariadenia vyššia ako typická hodnota, chyba citlivosti bude zvyšujúcou sa funkciou tlaku. Ak je citlivosť nižšia ako typická hodnota, chyba citlivosti bude klesajúcou funkciou tlaku. Dôvodom tejto chyby je zmeny v procese difúzie.
2. Chyba ofsetu: V dôsledku konštantného vertikálneho posunu v celom rozsahu tlaku budú mať zmeny v difúzii transformátora a korekciu nastavenia laseru za následok chyby posunu.
3. LAS CHYBA: Vo väčšine prípadov je možné chybu oneskorenia úplne ignorovať, pretože kremíkové doštičky majú vysokú mechanickú tuhosť. Všeobecne sa musí chyba hysterézie brať do úvahy iba v situáciách, keď dochádza k výraznej zmene tlaku.
4. Lineárna chyba: Toto je faktor, ktorý má relatívne malý vplyv na počiatočnú chybu, ktorá je spôsobená fyzickou nelinearitou kremíkovej doštičky. Avšak pre senzory s zosilňovačmi by sa mala zahrnúť aj nelinearita zosilňovača. Krivka lineárnej chyby môže byť konkávnou krivkou alebo konvexnou krivkou.
Kalibrácia môže tieto chyby eliminovať alebo výrazne znížiť, zatiaľ čo kompenzačné techniky zvyčajne vyžadujú určenie parametrov skutočnej prenosovej funkcie systému, a nie iba použitím typických hodnôt. Potentiometre, nastaviteľné odpory a iný hardvér sa dajú použiť v procese kompenzácie, zatiaľ čo softvér môže flexibilnejšie implementovať túto prácu na kompenzáciu chýb.
Metóda jednorazového kalibrácie môže kompenzovať chyby v kompenzácii odstránením posunu v nulovom bode funkcie prenosu a tento typ kalibračnej metódy sa nazýva automatické nulové vynulovanie. Kalibrácia posunu sa zvyčajne vykonáva pri nulovom tlaku, najmä v diferenciálnych senzoroch, pretože diferenciálny tlak je zvyčajne 0 za nominálnych podmienok. Pre čisté senzory je kalibrácia ofsetu ťažšia, pretože buď vyžaduje systém na odčítanie tlaku na meranie kalibrovanej hodnoty tlaku v podmienkach okolitého atmosférického tlaku, alebo regulátor tlaku na získanie požadovaného tlaku.
Kalibrácia nulového tlaku v diferenciálnych senzoroch je veľmi presná, pretože kalibračný tlak je striktne nula. Na druhej strane presnosť kalibrácie, keď tlak nie je nula, závisí od výkonu tlakového regulátora alebo meracieho systému.
Vyberte kalibračný tlak
Výber kalibračného tlaku je veľmi dôležitý, pretože určuje rozsah tlaku, ktorý dosahuje najlepšiu presnosť. Po kalibrácii sa v skutočnosti po kalibrácii minimalizuje skutočná chyba ofsety v kalibračnom bode a zostáva pri malej hodnote. Preto sa musí kalibračný bod zvoliť na základe rozsahu cieľového tlaku a rozsah tlaku nemusí byť v súlade s pracovným rozsahom.
Za účelom premeny výstupného napätia na tlakovú hodnotu sa typická citlivosť zvyčajne používa na kalibráciu jednej bodu v matematických modeloch, pretože skutočná citlivosť nie je často neznáma.
Po vykonaní kalibrácie posunu (PCAL = 0) krivka chyby zobrazuje vertikálny posun v porovnaní s čiernou krivkou predstavujúcou chybu pred kalibráciou.
Táto kalibračná metóda má prísnejšie požiadavky a vyššie náklady na implementáciu v porovnaní s metódou jednorazového kalibrácie. V porovnaní s metódou kalibrácie bodu však táto metóda môže významne zlepšiť presnosť systému, pretože nielen kalibruje ofset, ale tiež kalibruje citlivosť senzora. Preto sa pri výpočte chýb môžu namiesto atypických hodnôt použiť skutočné hodnoty citlivosti.
Kalibrácia sa tu vykonáva v podmienkach 0-500 megapascalov (plná mierka). Pretože chyba v kalibračných bodoch je blízko nuly, je obzvlášť dôležité správne nastaviť tieto body, aby sa získala minimálna chyba merania v očakávanom rozsahu tlaku.
Niektoré aplikácie si vyžadujú vysokú presnosť, aby sa udržiavali v celom rozsahu tlaku. V týchto aplikáciách je možné na získanie najávrakovejších výsledkov použiť viacbodovú kalibračnú metódu. V metóde viacbodovej kalibrácie sa zvažujú nielen chyby v posunu a citlivosti, ale berie do úvahy aj väčšina lineárnych chýb. Tu použitý matematický model je úplne rovnaký ako dvojstupňová kalibrácia pre každý kalibračný interval (medzi dvoma kalibračnými bodmi).
Trojbodová kalibrácia
Ako už bolo uvedené, lineárna chyba má konzistentný formulár a krivka chyby zodpovedá krivke kvadratickej rovnice s predvídateľnou veľkosťou a tvarom. Platí to najmä pre senzory, ktoré nepoužívajú zosilňovače, pretože nelinearita senzora je zásadne založená na mechanických dôvodoch (spôsobených tlakom tenkého filmu kremíkovej doštičky).
Opis charakteristík lineárnej chyby sa dá získať výpočtom priemernej lineárnej chyby typických príkladov a stanovením parametrov polynómovej funkcie (A × 2+BX+C). Model získaný po stanovení A, B a C je účinný pre senzory rovnakého typu. Táto metóda môže účinne kompenzovať lineárne chyby bez potreby tretieho kalibračného bodu.
Čas príspevku: február-27-2025