Fehlerkompensation des Drucksensors

Angemessene Fehlerkompensation vonDrucksensorenist der Schlüssel zu ihrer Anwendung. Drucksensoren haben hauptsächlich Sensitivitätsfehler, Offset -Fehler, Hysteresefehler und lineare Fehler. In diesem Artikel werden die Mechanismen dieser vier Fehler und ihre Auswirkungen auf die Testergebnisse eingeführt. Gleichzeitig werden Druckkalibrierungsmethoden und Anwendungsbeispiele eingeführt, um die Messgenauigkeit zu verbessern.

Gegenwärtig gibt es eine Vielzahl von Sensoren auf dem Markt, mit denen Konstrukteure die für das System erforderlichen Drucksensoren auswählen können. Diese Sensoren umfassen sowohl die grundlegendsten Transformatoren als auch komplexere Hochintegrationssensoren mit On-Chip-Schaltungen. Aufgrund dieser Unterschiede müssen Konstruktionsingenieure sich bemühen, Messfehler in Drucksensoren zu kompensieren, was ein wichtiger Schritt ist, um sicherzustellen, dass die Sensoren den Design- und Anwendungsanforderungen entsprechen. In einigen Fällen kann eine Kompensation auch die Gesamtleistung von Sensoren in Anwendungen verbessern.

Die in diesem Artikel diskutierten Konzepte gelten für das Design und die Anwendung verschiedener Drucksensoren mit drei Kategorien:

1. Grundlegende oder unkompensierte Kalibrierung;

2. Es gibt Kalibrierung und Temperaturkompensation;

3. Es hat Kalibrierung, Kompensation und Verstärkung.

Offset, Reichweite Kalibrierung und Temperaturkompensation können durch dünne Filmwiderstandsnetzwerke erreicht werden, die während des Verpackungsprozesses die Laserkorrektur verwenden. Dieser Sensor wird normalerweise in Verbindung mit einem Mikrocontroller verwendet, und die eingebettete Software des Mikrocontrollers selbst legt das mathematische Modell des Sensors fest. Nachdem der Mikrocontroller die Ausgangsspannung gelesen hat, kann das Modell die Spannung durch die Transformation des Analog-zu-Digital-Wandlers in einen Druckmesswert umwandeln.

Das einfachste mathematische Modell für Sensoren ist die Übertragungsfunktion. Das Modell kann während des gesamten Kalibrierungsprozesses optimiert werden, und seine Reife steigt mit zunehmender Kalibrierungspunkte.

Aus metrologischer Sicht hat der Messfehler eine ziemlich strenge Definition: Es charakterisiert den Unterschied zwischen gemessenem Druck und tatsächlichem Druck. Es ist jedoch normalerweise nicht möglich, den tatsächlichen Druck direkt zu erhalten, kann jedoch unter Verwendung geeigneter Druckstandards geschätzt werden. Metrologen verwenden normalerweise Instrumente mit einer Genauigkeit mindestens 10 -mal höher als die gemessenen Geräte als Messstandard.

Aufgrund der Tatsache, dass unkalibrierte Systeme die Ausgangsspannung nur unter Verwendung typischer Empfindlichkeits- und Offset -Werte in den Druck umwandeln können.

Dieser nicht kalibrierte anfängliche Fehler besteht aus den folgenden Komponenten:

1. Empfindlichkeitsfehler: Die Größe des erzeugten Fehlers ist proportional zum Druck. Wenn die Empfindlichkeit des Geräts höher als der typische Wert ist, ist der Empfindlichkeitsfehler eine zunehmende Funktion des Drucks. Wenn die Empfindlichkeit niedriger als der typische Wert ist, ist der Empfindlichkeitsfehler eine abnehmende Funktion des Drucks. Der Grund für diesen Fehler ist auf Änderungen des Diffusionsprozesses zurückzuführen.

2. Offset -Fehler: Aufgrund des konstanten vertikalen Versatzes während des gesamten Druckbereichs führen Änderungen der Transformatordiffusion und der Laseranpassungskorrektur zu Versatzfehlern.

3. LAG -Fehler: In den meisten Fällen kann der Verzögerungsfehler vollständig ignoriert werden, da Siliziumwafer eine hohe mechanische Steifheit aufweisen. Im Allgemeinen muss der Hysteresefehler nur in Situationen berücksichtigt werden, in denen eine signifikante Druckänderung vorliegt.

4. Linearer Fehler: Dies ist ein Faktor, der einen relativ geringen Einfluss auf den anfänglichen Fehler hat, der durch die physikalische Nichtlinearität des Siliziumwafers verursacht wird. Für Sensoren mit Verstärkern sollte jedoch auch die Nichtlinearität des Verstärkers einbezogen werden. Die lineare Fehlerkurve kann eine konkave Kurve oder eine konvexe Kurve sein.

Die Kalibrierung kann diese Fehler beseitigen oder erheblich reduzieren, während Kompensationstechniken in der Regel die Parameter der tatsächlichen Übertragungsfunktion des Systems bestimmen, anstatt einfach typische Werte zu verwenden. Potentiometer, einstellbare Widerstände und andere Hardware können im Kompensationsprozess verwendet werden, während Software diese Fehlerkompensationsarbeit flexibler implementieren kann.

Die Ein -Punkte -Kalibrierungsmethode kann die Offset -Fehler auskompensieren, indem die Drift am Nullpunkt der Übertragungsfunktion eliminiert wird, und diese Art von Kalibrierungsmethode wird als automatisch Nullierung bezeichnet. Die Offset -Kalibrierung wird normalerweise bei Nulldruck durchgeführt, insbesondere bei Differentialsensoren, da der Differenzdruck typischerweise unter nominalen Bedingungen beträgt. Für reine Sensoren ist die Offset -Kalibrierung schwieriger, da entweder ein Drucklesesystem erforderlich ist, um den kalibrierten Druckwert unter atmosphärischen Druckbedingungen für umgebende Druck zu messen, oder einen Druckregler, um den gewünschten Druck zu erhalten.

Die Nulldruckkalibrierung von Differentialsensoren ist sehr genau, da der Kalibrierungsdruck streng Null ist. Andererseits hängt die Kalibrierungsgenauigkeit, wenn der Druck Null ist, von der Leistung des Druckregelers oder des Messsystems ab.

Wählen Sie den Kalibrierungsdruck

Die Auswahl des Kalibrierungsdrucks ist sehr wichtig, da er den Druckbereich bestimmt, der die beste Genauigkeit erreicht. Tatsächlich wird nach der Kalibrierung der tatsächliche Offset -Fehler am Kalibrierungspunkt minimiert und bleibt bei einem geringen Wert. Daher muss der Kalibrierungspunkt basierend auf dem Zieldruckbereich ausgewählt werden, und der Druckbereich steht möglicherweise nicht mit dem Arbeitsbereich überein.

Um die Ausgangsspannung in einen Druckwert umzuwandeln, wird typische Empfindlichkeit normalerweise für die Einzelpunktkalibrierung in mathematischen Modellen verwendet, da die tatsächliche Empfindlichkeit häufig unbekannt ist.

Nach der Durchführung der Offset -Kalibrierung (PCAL = 0) zeigt die Fehlerkurve einen vertikalen Versatz in Bezug auf die schwarze Kurve, die den Fehler vor der Kalibrierung darstellt.

Diese Kalibrierungsmethode hat strengere Anforderungen und höhere Implementierungskosten im Vergleich zur Ein -Punkt -Kalibrierungsmethode. Im Vergleich zur Punktkalibrierungsmethode kann diese Methode jedoch die Genauigkeit des Systems signifikant verbessern, da sie nicht nur den Versatz kalibriert, sondern auch die Empfindlichkeit des Sensors kalibriert. Daher können in der Fehlerberechnung die tatsächlichen Empfindlichkeitswerte anstelle von atypischen Werten verwendet werden.

Hier erfolgt die Kalibrierung unter Bedingungen von 0-500 Megapascals (Vollskala). Da der Fehler an den Kalibrierungspunkten nahe Null liegt, ist es besonders wichtig, diese Punkte korrekt einzustellen, um den Mindestmessfehler innerhalb des erwarteten Druckbereichs zu erhalten.

Einige Anwendungen erfordern eine hohe Präzision, die während des gesamten Druckbereichs aufrechterhalten wird. In diesen Anwendungen kann die Mehrpunktkalibrierungsmethode verwendet werden, um die idealsten Ergebnisse zu erzielen. Bei der Mehrpunktkalibrierungsmethode werden nicht nur Versatz- und Empfindlichkeitsfehler berücksichtigt, sondern auch die meisten linearen Fehler berücksichtigt. Das hier verwendete mathematische Modell entspricht genau der zweistufigen Kalibrierung für jedes Kalibrierungsintervall (zwischen zwei Kalibrierungspunkten).

Drei -Punkte -Kalibrierung

Wie bereits erwähnt, hat der lineare Fehler eine konsistente Form, und die Fehlerkurve entspricht der Kurve einer quadratischen Gleichung mit vorhersehbarer Größe und Form. Dies gilt insbesondere für Sensoren, die keine Verstärker verwenden, da die Nichtlinearität des Sensors grundsätzlich auf mechanischen Gründen basiert (verursacht durch den Dünnfilmdruck des Siliziumwafers).

Die Beschreibung der linearen Fehlereigenschaften kann durch Berechnung des durchschnittlichen linearen Fehlers typischer Beispiele und der Bestimmung der Parameter der Polynomfunktion (A × 2+Bx+C) erhalten werden. Das nach der Bestimmung von A, B und C erhaltene Modell ist für Sensoren desselben Typs wirksam. Diese Methode kann lineare Fehler effektiv kompensieren, ohne dass ein dritter Kalibrierungspunkt erforderlich ist.