En general, Antes del procesamiento digital, sensores de presión a menudo describe características como histéresis (presión, temperatura), linealidad, coeficiente de temperatura, y otros parámetros característicos en las especificaciones del producto. Sin embargo, Después del procesamiento digital, Los sensores de presión o los transmisores generalmente ya no describen estos indicadores de parámetros al detallar las características de la señal de salida; en cambio, Proporcionan parámetros generales de precisión de medición. Esta diferencia no se debe a que el procesamiento digital pueda eliminar características como la histéresis, Pero debido a que después del procesamiento digital se hace difícil distinguir si ciertas características como la histéresis son causadas por la señal de medición del elemento del sensor o por el procesamiento del firmware en sí. Por lo tanto, generalmente es más razonable combinar los errores de medición causados por histéresis, Características de la temperatura, y el proceso de cuantización en la precisión de la medición final, error, y especificaciones de estabilidad a largo plazo del producto.
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Errores de sensor
Mientras haya medición, inevitablemente habrá errores. Para aplicaciones específicas, Incluso si existen errores, son relativos en cierto sentido. Mientras el error esté dentro de un rango aceptable, se puede tolerar, y los usuarios profesionales generalmente siguen el principio de «suficiencia, luego preferencia» Al seleccionar sensores. En aplicaciones de sensor de presión, Las características de preocupación incluyen, pero no se limitan a, la siguiente:
- Rango de medición de presión: FSO-KPA (presión diferencial/presión estática, presión de indicador/presión de medidor sellado, presión absoluta)
· Error de medición de presión: ± KPA
· Resolución de medición: kpa/bit
· Voltaje de funcionamiento/corriente
· Rango de temperatura de almacenamiento y operación, medio de medición
· Características de la respuesta a presión, repetibilidad, estabilidad a largo plazo
Debajo de estos parámetros de presión se encuentran el núcleo o módulo del sensor que puede convertir la presión en una señal eléctrica. Hay múltiples principios para medir la presión, Pero no todos los principios pueden cubrir todo tipo y rangos de presión. Estos principios incluyen:
- Piezoresistivo
- Película delgada pulverizada
- Silicon Resonant
- Capacitivo
- Corriente de Eddy
- Balance de fuerza, Tubo de cuarzo derretido Bourdon
- Calibre …
A continuación se muestra un breve análisis de errores para los sensores de presión basados en el piezoresistivo principio.
Cifra-1: De chip de silicio a Varias aplicaciones de embalaje de sensores de presión piezoresistiva
En la Figura 1, Se enumeran varias formas típicas que se usan ampliamente en varios campos basados en sensores de presión piezoresistiva de troqueles desnudos a varios tipos de empaque. Algunos tipos de productos solo tienen envases externos; Algunos tienen salidas de señal analógica dentro del rango correspondiente que se compensan y calibran la temperatura para la intercambiabilidad; Algunos amplifican aún más la señal analógica; y otros realizan procesamiento digital antes de emitir. También hay transmisores de presión que, Después de la calibración digital, Utilice los protocolos de interfaz correspondientes que se aplican ampliamente en la industria, así como módulos integrados que incluyen otros sensores, como la temperatura o los sensores de gas para el automóvil, médico, y otras industrias. Además, Algunos dispositivos usan las características de presión del medio que se mide para determinar otras cantidades físicas, por ejemplo,, sensores de flujo basados en bajo sensores de presión diferenciales utilizado en ventiladores.
En general, Antes del procesamiento digital, sensores de presión a menudo describe características como histéresis (presión, temperatura), linealidad, y coeficiente de temperatura En sus secciones de especificación. Después del procesamiento digital, sin embargo, Los sensores de presión o los transmisores generalmente no describen estos indicadores al detallar las características de la señal de salida, pero en su lugar proporciona en general precisión de la medición parámetros. Esta diferencia no se debe a que el procesamiento digital pueda eliminar características como histéresis, Pero porque se hace difícil después del procesamiento digital distinguir si las características (P.EJ., histéresis) son causados por la señal de medición del elemento del sensor o por el procesamiento del firmware en sí. Por lo tanto, los errores de medición causados por histéresis y características de temperatura, junto con errores de cuantificación, generalmente se combinan en las especificaciones finales del producto para precisión de la medición, error, y estabilidad a largo plazo.
El acondicionamiento digital a menudo rara vez aborda la simetría del puente del sensor. Si uno considera el efecto del compensar distribución en el punto de carga cero de un sensor de presión piezoresistiva En la ganancia del circuito de amplificación front-end, así como el impacto del ADC posterior en la señal efectiva (FSO) resolución debida a variaciones de ganancia, Se requiere un enfoque integral. Después del procesamiento digital, a menos que sea necesario, el compensar se calcula a partir del punto cero especificado.
Compensación analógica y calibración, Antes de que el ADC participe en el procesamiento, puede mejorar significativamente la intercambiabilidad del producto mejorando la simetría (0-punto compensar Salida que se acerca 0V), sensibilidad a la temperatura, y consistencia de salida. Por lo tanto, Ambos métodos tienen sus características. En el análisis de error posterior de los sensores de presión, Solo se discutirán los productos de presión que han sufrido una compensación de temperatura y calibración utilizando redes de resistencia, en lugar de aquellos después del procesamiento digital.
Basado en las características de sensores de presión piezoresistiva, El tratamiento de error generalmente se divide en dos tipos:
- Errores compensables (generalmente causado por efectos de temperatura y son repetibles)
- Errores no compensables (Generalmente causado por la presión, temperatura, y estrés de empaque, y no son repetibles)
Por supuesto, Incluso para la parte compensable del error, Los diferentes métodos de compensación pueden lograr diversos grados de cancelación de errores.
Cifra-2: Comparación de la salida características (verde) de un sensor de presión piezoresistiva en un fijado temperatura con el sensor de presión ideal producción (azul)
Para el análisis de errores posteriores, La Figura 2 muestra las características generales de salida de un sensor de presión piezoresistiva. Los términos utilizados en la figura son los siguientes:
- Cero: Punto cero de referencia ideal
- Compensar: Desviación real de salida de carga cero, ES DECIR., el voltaje de salida cuando se aplica la carga cero
- FSO: Salida a escala completa, la diferencia en la señal de salida desde la presión de escala completa hasta el punto cero
- Bfslnl: No linealidad en relación con la mejor línea recta de ajuste
Características del sensor y análisis de errores
Próximo, Echamos un vistazo detallado a una presión media de 40 kPa sensor de presión piezoresistiva de la marca WF. Después del embalaje, calibración, y compensación de temperatura Usando un módulo de presión de acero inoxidable de 316L, Los parámetros son los siguientes:
Los datos en la tabla (p.ej. ± 1% FS, etc.) suele ser la precisión final obtenida "después de la calibración/compensación", que ya se ha corregido para la mayoría de los errores de temperatura repetibles, ganar errores, sesgo cero, etc.. La verdadera desviación "no calibrada" a menudo tiene en cuenta varios tipos de dispersión, incluido el punto cero inicial, sensibilidad, Estrés de paquete, etc., que puede sumar fácilmente más de ± 10% de FS.
Lo verdadero "no calibrado"La desviación a menudo tiene en cuenta varios tipos de dispersión, incluyendo cero inicial, sensibilidad, Estrés de paquete, etc., que puede sumar fácilmente más de ± 10% de FS.
Por lo tanto, Muchos fabricantes solo enumeran la precisión combinada calibrada o compensada (P.EJ., 1% FS, 2% FS) en su "especificaciones finales"Y no indique directamente en la hoja de datos del producto final cuánto ±% FS Error el "Original el"Puede tener.
Factores de influencia de errores
Las influencias de error típicas incluyen referencia errores de voltaje, Errores de amplificador, errores de sensor, y el efecto de ruido en precisión de medición.
(1) Error de voltaje de referencia
El voltaje de referencia se utiliza para comparar con el valor de medición real, Entonces, el valor real de este voltaje de referencia es muy importante, y se requiere calibración periódica o calibración de software del voltaje de referencia para corregir este error de medición básico. Un coeficiente de temperatura de 100 ppm/° C a 0 ° C a 25 ° C tendrá un error de hasta 2500 PPM, o 0.25% del rango de escala completa.
(2) Error del amplificador
Los amplificadores operativos pueden introducir errores debido a su deriva cero fuera de fase y otras razones. Amplificador operativo de entrada de señal del sensor que afectará la precisión de la medición. Tales como sensores de presión, sensores de presión, Por ejemplo, Una señal a gran escala de 20 mv tendrá una 5% compensar, eso es, 1Voltaje de polarización de entrada de MV. Este error de sesgo de entrada puede reducir directamente la precisión de la medición, con suficiente rango dinámico del convertidor A/D es posible usar el software para eliminar este error.
(3) Error del sensor
Es poco probable que los sensores alcancen un estado ideal debido al procesamiento, y pueden ocurrir errores. Puede ser difícil corregir los errores del sensor. Por ejemplo, En el caso de los sensores de presión, Incluso si están calibrados linealmente durante el proceso de fabricación, La cantidad de variación en el factor de escala de salida entre diferentes dispositivos en la aplicación sigue siendo alta. El voltaje de referencia del sensor de presión generalmente se genera por la excitación., que produce un método de medición proporcional a través de un puente de Whiston, que elimina el error de deriva hasta cierto punto, Pero todavía habrá un voltaje de polarización generado porque el puente no puede ser completamente simétrico entre sí. Tomar el sensor de presión como ejemplo, la compensación de 1 sensor de baja presión, Su error de sesgo es causado en gran medida por la asimetría del puente.
(4) Efectos de ruido
El ruido tiene muchas fuentes, incluyendo ruido acoplado de circuitos lógicos digitales de alta velocidad cercanos, fuente de alimentación, Fan Motors, válvulas solenoides, y RF EMI. El ruido se puede reducir mediante un diseño de conexión a tierra adecuado, Métodos de blindaje y diseño de tablero. Además, Se pueden seleccionar amplificadores operativos que minimicen el ruido introducido y tienen suficiente ancho de banda de ganancia. Los amplificadores operativos se pueden evaluar sobre la base de la cantidad de ruido introducido, que se determina a partir de mediciones de señales sobre un ancho de banda sin restricciones (ancho de banda ancho) o un ancho de banda definido.
Convertidores A/D
Cuando se usa un convertidor A/D, El ruido de fondo es un factor determinante en la precisión de medición disponible. Cuando un dispositivo se clasifica para una resolución de 24 bits, La precisión real lograda por el convertidor suele ser menor debido a las limitaciones causadas por el ruido. Aquí debe hacerse una distinción entre el bit efectivo y el valor de ruido muy bajo, Donde la especificación de bit efectiva se calcula a partir del valor del nivel de ruido RMS, y el valor de ruido muy bajo se basa en el valor de pico a pico, que normalmente corresponde a tanto como 6.6 veces el valor estadístico RMS. Por lo tanto, La especificación de ruido muy bajo indica la resolución efectiva del convertidor, que permanece estable en bits de LSB sobre el ruido de fondo. También se debe prestar atención especial a las limitaciones en la especificación., como el voltaje de referencia y el rango de entrada, que puede variar de la aplicación a la aplicación, y las promesas de la hoja de datos pueden diferir considerablemente de la relación real.
Amplificadores operativos
Es difícil para un amplificador alcanzar el bajo ruido y la alta ganancia al mismo tiempo. Entonces es necesario llevar el nivel de ruido del amplificador al mismo rango que su error. Todos los amplificadores de semiconductores tienen 1/f ruido, también conocido como ruido de parpadeo, que es un fenómeno fundamental debido al material. Contrariamente a la frecuencia, Debajo de un punto de inflexión de ruido específico, La densidad de ruido aumenta exponencialmente y se vuelve muy grande a bajas frecuencias. Pocos amplificadores pueden darse cuenta de esta combinación de bajo ruido y características de alta ganancia en un solo chip a bajo costo.
Para lograr bajo ruido y alta ganancia, Se pueden diseñar circuitos múltiples híbridos, Uso de una combinación de amplificadores de entrada con una alta impedancia de entrada, Circuito de corrección de errores de entrada, y un segundo (o tercero) Amplificador de compensación para lograr la ganancia deseada. Los amplificadores que se concentran en un parámetro a menudo presentan problemas graves en otras áreas.
Pensamientos finales
Por eso, En aplicaciones prácticas, Si compramos directamente un moreno no calibrado o simplemente empaquetado Sensor de presión piezoresistivo y manejar el diseño del circuito y la compensación de temperatura nosotros mismos, Podemos enfrentar un desplazamiento inicial significativo. Sin embargo, Si compramos un compensado digitalmente/calibrado Sensor de presión o transmisor con compensación incorporada, Podemos lograr directamente el error general más pequeño (como ± 1% FS) indicado en la hoja de datos.
La introducción anterior solo rasca la superficie de las aplicaciones de la tecnología del sensor de presión. Continuaremos explorando los diferentes tipos de elementos de sensores utilizados en varios productos., Cómo funcionan, y sus ventajas y desventajas. Si desea más detalles sobre lo que se discute aquí, Puede consultar el contenido relacionado más adelante en esta guía. Si está presionado por el tiempo, También puede hacer clic aquí para descargar los detalles de estas guías Producto del sensor de presión de aire datos PDF.
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