Introduktion: Vi bruger mange tryksensorer, og vi oplever ofte, at tryksensorer vil drive efter en tids brug. Hvad får tryksensoren til at drive? Hvordan kan vi eliminere tryksensordriften under design?
Årsager til sensordrift
Sensordrift refererer til det fænomen, at sensorens outputværdi ændres over tid. Denne drift kan forårsage unøjagtige sensormålingsresultater, hvilket påvirker dens pålidelighed og stabilitet i praktiske applikationer. Der er mange årsager til sensordrift, som vil blive introduceret én efter én nedenfor.
Temperaturændring: Temperaturændring er en af de almindelige årsager til sensordrift. Temperaturændringer kan forårsage udvidelse og sammentrækning af materialet inde i sensorelementet, hvilket igen påvirker sensorens mekaniske struktur og elektriske karakteristika, hvilket får udgangsværdien til at glide. For eksempel vil en stigning i temperaturen øge modstandsværdien af en modstandssensor, hvilket resulterer i en højere udgangsværdi.
Ændringer i strømforsyningen: Sensorens udgangsværdi påvirkes af forsyningsspændingen. Når forsyningsspændingen ændres, ændres sensorens udgangsværdi også. Dette skyldes, at ændringer i forsyningsspændingen vil få funktionstilstanden af sensorens interne kredsløb til at ændre sig, hvilket igen påvirker amplituden og stabiliteten af udgangssignalet.
Langtidsbrug: Langtidsbrug er også en vigtig årsag til sensordrift. Under brug kan sensoren blive påvirket af mekaniske, kemiske eller termiske ekspansions- og kontraktionsfaktorer, hvilket forårsager ændringer i dens indre struktur, hvilket igen får udgangsværdien til at glide. Derudover kan sensoren også blive påvirket af eksterne miljøfaktorer såsom vibrationer og stød, hvilket yderligere forværrer driftfænomenet.
Sensorens ældning: Over tid kan sensorens ydeevne gradvist falde, og der kan forekomme drift. Dette skyldes, at materialerne og komponenterne inde i sensoren vil ældes med den øgede brugstid, hvilket får dens fysiske egenskaber til at ændre sig. For eksempel vil elektrolytten inde i sensoren gradvist dræne væk, hvilket får dens følsomhed og stabilitet til at falde, hvilket igen får udgangsværdien til at glide.
Miljøpåvirkning: Sensorens drift kan også blive påvirket af miljøfaktorer. For eksempel kan ændringer i miljøfaktorer såsom lufttryk, fugtighed og lys få sensoroutputværdien til at glide. Dette skyldes, at ændringer i miljøfaktorer vil ændre interaktionen mellem sensoren og det objekt, der skal måles, og derved påvirke målenøjagtigheden og stabiliteten af sensoren.
I de tidlige dage af udviklingen af tryksensorer blev glaspulver brugt til at forsegle den diffuse siliciumchip og metalbasen. Ulempen var, at der var en stor spænding omkring trykspånen, og selv efter udglødning kunne spændingen ikke helt elimineres. Når temperaturen ændres, på grund af de forskellige termiske udvidelseskoefficienter for metal, glas og diffuserede siliciumspåner, vil der blive genereret termisk stress, hvilket får sensorens nulpunkt til at drive. Dette er grunden til, at sensorens nulpunkts termiske drift er meget større end den termiske nulpunktsdrift af chippen. Hvis sølvpasta og terminalsvejsning ikke håndteres korrekt, er det let at forårsage ustabil kontaktmodstand. Især når temperaturen ændres, er der større sandsynlighed for, at kontaktmodstanden ændres. Disse faktorer er årsagerne til sensorens store nulpunktsdrift og temperaturdrift.
Halvlederteorianalyse af årsagen til nulpunkts termisk drift: Kun når dopingkoncentrationen og modstandsværdien af modstanden er konsistente, kan broens nulpunktsudgangsspænding være lille, og nulpunkts termisk drift er også lille, hvilket er meget fordelagtigt for at forbedre sensorens ydeevne. Det er dog ikke let at opnå ensartet dopingfordeling under diffusion, så varistorstrimlerne skal være så tætte som muligt og så korte som muligt.
Kredsløbsanalyse af årsagen til nulpunkts termisk drift: Ideelt set bør modstandsværdierne for de fire diffuse modstande, der udgør Wheatstone-broen, være ens. Nulpunktstemperaturdrift er forårsaget af ændringen af diffus modstandsværdi med temperaturen. Inden for et bestemt temperaturområde stiger modstandsværdien med stigningen i temperaturen, det vil sige, at temperaturkoefficienten R for den diffuserede modstand er positiv.
Løsninger på problemer med sensordrift
Samlet set kan nuldriftskompensationen af tryksensorer opdeles i to retninger: hardwarekompensation og softwarekompensation.
Hardware nul kompensationsmetode: Passende konstant modstandsmetode i serie og parallel på broarmen: broarm termistor kompensationsmetode, bro ekstern serie og parallel termistor kompensation metode, dobbelt bro kompensation teknologi, transistor kompensation teknologi osv.
Optimer kredsløbsdesign: Rimelig kredsløbsdesign kan reducere virkningen af sensordrift. For eksempel kan brugen af temperaturkompensationskredsløb korrigere virkningen af temperaturændringer på sensoroutputværdier og forbedre målenøjagtighed og stabilitet. Derudover kan kredsløbsdesignmetoder såsom filtrering og forstærkning også bruges til at eliminere virkningen af strømforsyningsændringer og miljøinterferens på sensorer.
Software kompensation nul drift metode: I signalopsamlingsprocessen er indgangssignalet nul, og udgangssignalet er ikke nul, fra det tidspunkt, hvor triggersignalet ikke opstår, til det tidspunkt, hvor erhvervelsen udløses, og efter at erhvervelsen er afsluttet. Disse indsamlede outputdata eksisterer i form af tilfældig støj, hvilket er meningsløst for databeregning og -behandling. Vi definerer signalværdien indsamlet i denne periode som nuldrift.
De anvendte softwaremetoder er:
Polynomial tilpasningsspecifikationsmetode. Da temperatur, tryk og andre fysiske størrelser målt af tryksensoren ved faktisk måling ikke vil have en streng lineær sammenhæng med outputværdien, er den funktionelle sammenhæng ofte i form af et polynomium. Polynomier kan bruges til at tilpasse ikke-lineære signaler, og nøglen er at løse deres koefficienter.
RBF neurale netværksmetode. Grundprincip: Normalt er formelmetoden i nulpunktstemperaturkompensationssoftwarealgoritmen relativt kompleks, og tilpasningsnøjagtigheden er ofte begrænset. Den kunstige neurale netværksmetode har fordelene ved et lille antal prøver, en simpel algoritme, evnen til at tilnærme vilkårlige funktioner og gode anvendelsesmuligheder.
Derudover omfatter softwaremetoden også tabelopslagsmetode, interpolationsmetode mv.
For at reducere virkningen af afdrift kan følgende foranstaltninger tages:
Stabiliser temperaturen: Hold sensoren i en konstant temperaturtilstand så meget som muligt for at undgå påvirkning af temperaturudsving.
Brug temperaturkompensationsforanstaltninger: Tilføj en temperatursensor inde i sensoren for at udføre korrektionskompensation ved at registrere temperaturændringer.
Vælg en egnet substratbindingsmetode: En egnet substratbindingsmetode kan reducere påvirkningen af mekanisk belastning.
Vælg en uafhængig forstærker: Brug en uafhængig forstærker til at forstærke signalet, som ikke påvirkes af andre eksterne faktorer og kan reducere driftproblemer.
Brug automatisk kalibreringsteknologi: Gennem automatisk kalibrering kan sensoren opretholde et stabilt output under forskellige temperaturer, luftfugtighed og andre miljøer.
Vælg en højpræcisionssensor: Driften af en højpræcisionssensor er lille, hvilket kan reducere påvirkningen.
Bearbejd afdriftsdataene: Ved at indsamle data over en periode og tage et gennemsnit af driftdataene kan afdriftens påvirkning på måleresultaterne reduceres.
