Úvod: Používáme mnoho tlakových senzorů a často se setkáváme s tím, že tlakové senzory se po určité době používání posunou. Co způsobuje posun snímače tlaku? Jak můžeme eliminovat posun snímače tlaku během návrhu?
Příčiny driftu senzoru
Posun snímače označuje jev, kdy se výstupní hodnota snímače mění v průběhu času. Tento posun může způsobit nepřesné výsledky měření senzoru, což ovlivňuje jeho spolehlivost a stabilitu v praktických aplikacích. Existuje mnoho důvodů pro drift snímače, které budou uvedeny jeden po druhém níže.
Změna teploty: Změna teploty je jednou z běžných příčin driftu snímače. Změny teploty mohou způsobit expanzi a kontrakci materiálu uvnitř senzorového prvku, což následně ovlivňuje mechanickou strukturu a elektrické vlastnosti senzoru, což způsobuje posun výstupní hodnoty. Například zvýšení teploty zvýší hodnotu odporu odporového snímače, což má za následek vyšší výstupní hodnotu.
Změny napájení: Výstupní hodnota snímače je ovlivněna napájecím napětím. Při změně napájecího napětí se změní i výstupní hodnota snímače. Změny napájecího napětí totiž způsobí změnu pracovního stavu vnitřního obvodu snímače, což následně ovlivňuje amplitudu a stabilitu výstupního signálu.
Dlouhodobé používání: Dlouhodobé používání je také důležitou příčinou driftu snímače. Během používání může být snímač ovlivněn mechanickými, chemickými nebo tepelnými faktory roztahování a smršťování, což způsobuje změny v jeho vnitřní struktuře, což následně způsobuje posun výstupní hodnoty. Kromě toho může být snímač ovlivněn také vnějšími faktory prostředí, jako jsou vibrace a náraz, což dále zhoršuje fenomén driftu.
Stárnutí senzoru: Postupem času může výkon senzoru postupně klesat a může dojít k posunu. Je to proto, že materiály a součásti uvnitř snímače s prodlužující se dobou používání stárnou, což způsobí změnu jeho fyzikálních vlastností. Například elektrolyt uvnitř senzoru bude postupně odtékat, což způsobí snížení jeho citlivosti a stability, což následně způsobí posun výstupní hodnoty.
Vliv prostředí: Posun snímače může být ovlivněn také faktory prostředí. Například změny faktorů prostředí, jako je tlak vzduchu, vlhkost a světlo, mohou způsobit posun výstupní hodnoty senzoru. Je to proto, že změny faktorů prostředí změní interakci mezi senzorem a měřeným objektem, a tím ovlivní přesnost měření a stabilitu senzoru.
V počátcích vývoje tlakových senzorů se k utěsnění rozptýleného křemíkového čipu a kovové základny používal skleněný prášek. Nevýhodou bylo velké pnutí v okolí přítlačné třísky a ani po žíhání se pnutí nepodařilo zcela odstranit. Při změně teploty v důsledku různých koeficientů tepelné roztažnosti kovových, skleněných a rozptýlených křemíkových čipů vzniká tepelné napětí, které způsobí posun nulového bodu senzoru. To je důvod, proč je teplotní drift nulového bodu snímače mnohem větší než tepelný drift nulového bodu čipu. Pokud se stříbrnou pastou a svařováním svorek nepracuje správně, může snadno dojít k nestabilnímu přechodovému odporu. Zejména při změně teploty je větší pravděpodobnost změny přechodového odporu. Tyto faktory jsou důvodem velkého driftu nulového bodu a teplotního driftu snímače.
Analýza příčiny teplotního driftu nulového bodu pomocí teorie polovodičů: Pouze když jsou koncentrace dopingu a hodnota odporu rezistoru konzistentní, může být výstupní napětí můstku v nulovém bodě malé a tepelný drift nulového bodu je také malý, což je velmi výhodné pro zlepšení výkonu senzoru. Není však snadné dosáhnout rovnoměrného rozložení dopingu během difúze, proto je požadováno, aby pásy varistoru byly co nejblíže a co nejkratší.
Analýza obvodu příčiny tepelného driftu nulového bodu: V ideálním případě by hodnoty odporu čtyř difuzních rezistorů, které tvoří Wheatstoneův můstek, měly být stejné. Posun teploty nulového bodu je způsoben změnou hodnoty difuzního odporu s teplotou. V určitém teplotním rozsahu hodnota odporu roste s nárůstem teploty, to znamená, že teplotní koeficient R difuzního odporu je kladný.
Řešení problémů s driftem senzoru
Celkově lze kompenzaci nulového driftu tlakových senzorů rozdělit do dvou směrů: hardwarovou kompenzaci a softwarovou kompenzaci.
Hardwarová metoda nulové kompenzace: Vhodná metoda konstantního odporu v sérii a paralelně na rameni můstku: metoda kompenzace termistoru můstkového ramene, metoda kompenzace externího sériového a paralelního termistoru můstku, technologie kompenzace dvojitého můstku, technologie kompenzace tranzistoru atd.
Optimalizace návrhu obvodu: Rozumná konstrukce obvodu může snížit dopad driftu snímače. Například použití teplotního kompenzačního obvodu může korigovat dopad teplotních změn na výstupní hodnoty snímače a zlepšit přesnost a stabilitu měření. Kromě toho lze použít metody návrhu obvodů, jako je filtrování a zesílení, k eliminaci dopadu změn napájení a rušení okolního prostředí na senzory.
Metoda softwarové kompenzace nulového driftu: V procesu získávání signálu od okamžiku, kdy nedojde ke spouštěcímu signálu, do okamžiku, kdy je akvizice spuštěna a po dokončení získávání, je vstupní signál nulový a výstupní signál není nulový. Tato shromážděná výstupní data existují ve formě náhodného šumu, který je pro výpočet a zpracování dat bezvýznamný. Hodnotu signálu shromážděnou během tohoto období definujeme jako nulový drift.
Používané softwarové metody jsou:
Metoda specifikace polynomu. Protože při skutečném měření teplota, tlak a další fyzikální veličiny měřené tlakovým senzorem nebudou mít striktní lineární vztah s výstupní hodnotou, je funkční vztah často ve formě polynomu. Polynomy lze použít k přizpůsobení nelineárních signálů a klíčové je vyřešit jejich koeficienty.
Metoda RBF neuronové sítě. Základní princip: Obvykle je metoda vzorce v softwarovém algoritmu kompenzace teploty nulového bodu poměrně složitá a přesnost přizpůsobení je často omezená. Metoda umělé neuronové sítě má výhody malého počtu vzorků, jednoduchého algoritmu, schopnosti aproximovat libovolné funkce a dobré aplikační vyhlídky.
Softwarová metoda navíc zahrnuje také metodu vyhledávání v tabulce, metodu interpolace atd.
Ke snížení dopadu driftu lze přijmout následující opatření:
Stabilizujte teplotu: Udržujte snímač co nejvíce v konstantním teplotním stavu, abyste se vyhnuli vlivu kolísání teploty.
Použijte opatření pro kompenzaci teploty: Přidejte teplotní senzor do senzoru, abyste provedli korekční kompenzaci snímáním teplotních změn.
Zvolte vhodnou metodu lepení podkladu: Vhodná metoda lepení podkladu může snížit vliv mechanického namáhání.
Vyberte nezávislý zesilovač: Použijte nezávislý zesilovač k zesílení signálu, který není ovlivněn jinými vnějšími faktory a může snížit problémy s driftem.
Použijte technologii automatické kalibrace: Prostřednictvím automatické kalibrace může senzor udržovat stabilní výstup při různých teplotách, vlhkosti a jiných prostředích.
Vyberte si vysoce přesný senzor: Posun vysoce přesného senzoru je malý, což může snížit dopad.
Zpracování dat o driftu: Shromažďováním dat za určité časové období a průměrováním dat o driftu lze snížit dopad driftu na výsledky měření.
