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      壓力傳感器的測量誤差和溫度補償技術


      發布日期:[2018-09-20]    作者:昊明壓力傳感器


      目前市場上傳感器種類豐富多樣,這使得設計工程師可以選擇系統所需的壓力傳感器。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,設計工程師必須盡可能夠補償壓力傳感器的測量誤差,這是保證傳感器滿足設計和應用要求的重要步驟。在某些情況下,補償還能提高傳感器在應用中的整體性能。合理進行壓力傳感器的誤差補償是其應用的關鍵。壓力傳感器主要有偏移量誤差、靈敏度誤差、線性誤差和滯后誤差,本文將介紹這四種誤差產生的機理和對測試結果的影響,同時將介紹為提高測量精度的壓力標定方法以及應用實例。
      本文以摩托羅拉公司的壓力傳感器為例,所涉及的概念適用于各種壓力傳感器的設計應用。
      壓力傳感器測量誤差

      摩托羅拉公司生產的主流壓力傳感器是一種單片壓阻器件,該器件具有3類:
      1、基本的或未加補償標定; 
      2、有標定并進行溫度補償; 
      3、有標定、補償和放大。
      偏移量、范圍標定以及溫度補償均可以通過薄膜電阻網絡實現,這種薄膜電阻網絡在封裝過程中采用激光修正。
      該傳感器通常與微控制器結合使用,而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數學模型。微控制器讀取了輸出電壓后,通過模數轉換器的變換,該模型可以將電壓量轉換為壓力測量值。
      傳感器最簡單的數學模型即為傳遞函數。該模型可在整個標定過程中進行優化,并且模型的成熟度將隨標定點的增加而增加。
      從計量學的角度看,測量誤差具有相當嚴格的定義:它表征了測量壓力與實際壓力之間的差異。而通常無法直接得到實際壓力,但可以通過采用適當的壓力標準加以估計,計量人員通常采用那些精度比被測設備高出至少10倍的儀器作為測量標準。
      由于未經標定的系統只能使用典型的靈敏度和偏移值將輸出電壓轉換為壓力,測得的壓力將產生誤差稱重傳感器。
      這種未經標定的初始誤差由以下幾個部分組成:
      1、靈敏度誤差,產生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高于典型值,靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。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。該誤差的產生原因在于擴散過程的變化。
      2、偏移量誤差。由于在整個壓力范圍內垂直偏移保持恒定,因此變換器擴散和激光調節修正的變化將產生偏移量誤差。
      3、滯后誤差:在大多數情形中,滯后誤差完全可以忽略不計,因為硅片具有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。
      4、線性誤差。這是一個對初始誤差影響較小的因素,該誤差的產生原因在于硅片的物理非線性,但對于帶放大器的傳感器,還應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。 標定可消除或極大地減小這些誤差,而補償技術通常要求確定系統實際傳遞函數的參數,而不是簡單的使用典型值。電位計、可調電阻以及其他硬件均可在補償過程中采用,而軟件則能更靈活地實現這種誤差補償工作。
      一點標定法可通過消除傳遞函數零點處的漂移來補償偏移量誤差,這類標定方法稱為自動歸零。
      差動傳感器的零壓力標定非常精確,因為標定壓力嚴格為0。另一方面,壓力不為0時的標定精確度取決于壓力控制器或測量系統的性能。偏移量標定通常在零壓力下進行,特別是在差動傳感器中,因為在標稱條件下差動壓力通常為0。對于純傳感器,偏移量標定則要困難一些,因為它要么需要一個壓力讀取系統,用以測量其在環境大氣壓力條件下的標定壓力值,要么需要獲取期望壓力的。
      壓力傳感器溫度補償





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