Introducción: utilizamos muchos sensores de presión y, a menudo, encontramos que los sensores de presión se desvían después de un período de uso. ¿Qué causa que el sensor de presión se desvíe? ¿Cómo podemos eliminar la desviación del sensor de presión durante el diseño?
Causas de la deriva del sensor
La deriva del sensor se refiere al fenómeno de que el valor de salida del sensor cambia con el tiempo. Esta deriva puede causar resultados de medición del sensor inexactos, afectando su confiabilidad y estabilidad en aplicaciones prácticas. Hay muchas razones para la desviación del sensor, que se presentarán una por una a continuación.
Cambio de temperatura: el cambio de temperatura es una de las causas comunes de deriva del sensor. Los cambios de temperatura pueden provocar la expansión y contracción del material dentro del elemento sensor, lo que a su vez afecta la estructura mecánica y las características eléctricas del sensor, provocando que el valor de salida se desvíe. Por ejemplo, un aumento de temperatura aumentará el valor de resistencia de un sensor de resistencia, lo que dará como resultado un valor de salida más alto.
Cambios en la fuente de alimentación: el valor de salida del sensor se ve afectado por la tensión de alimentación. Cuando cambia el voltaje de suministro, el valor de salida del sensor también cambiará. Esto se debe a que los cambios en el voltaje de suministro harán que cambie el estado de funcionamiento del circuito interno del sensor, lo que a su vez afecta la amplitud y estabilidad de la señal de salida.
Uso a largo plazo: el uso a largo plazo también es una causa importante de deriva del sensor. Durante el uso, el sensor puede verse afectado por factores de expansión y contracción mecánica, química o térmica, lo que provoca cambios en su estructura interna, lo que a su vez provoca que el valor de salida se desvíe. Además, el sensor también puede verse afectado por factores ambientales externos como vibraciones e impactos, lo que agrava aún más el fenómeno de deriva.
Envejecimiento del sensor: con el tiempo, el rendimiento del sensor puede disminuir gradualmente y puede producirse una desviación. Esto se debe a que los materiales y componentes dentro del sensor envejecerán con el aumento del tiempo de uso, lo que provocará que sus propiedades físicas cambien. Por ejemplo, el electrolito dentro del sensor se drenará gradualmente, lo que hará que su sensibilidad y estabilidad disminuyan, lo que a su vez provoca que el valor de salida se desvíe.
Influencia ambiental: La deriva del sensor también puede verse afectada por factores ambientales. Por ejemplo, los cambios en factores ambientales como la presión del aire, la humedad y la luz pueden provocar que el valor de salida del sensor se desvíe. Esto se debe a que los cambios en los factores ambientales cambiarán la interacción entre el sensor y el objeto a medir, afectando así la precisión de la medición y la estabilidad del sensor.
En los primeros tiempos del desarrollo de los sensores de presión, se utilizaba polvo de vidrio para sellar el chip de silicio difundido y la base metálica. La desventaja era que había una gran tensión alrededor de la viruta de presión, e incluso después del recocido, la tensión no se podía eliminar por completo. Cuando cambia la temperatura, debido a los diferentes coeficientes de expansión térmica del metal, el vidrio y los chips de silicio difundido, se generará tensión térmica, lo que provocará que el punto cero del sensor se desvíe. Esta es la razón por la que la deriva térmica del punto cero del sensor es mucho mayor que la deriva térmica del punto cero del chip. Si la pasta de plata y la soldadura de terminales no se manejan adecuadamente, es fácil provocar una resistencia de contacto inestable. Especialmente cuando cambia la temperatura, es más probable que cambie la resistencia de contacto. Estos factores son las razones de la gran desviación del punto cero y de la temperatura del sensor.
Análisis de la teoría de semiconductores de la causa de la deriva térmica del punto cero: solo cuando la concentración de dopaje y el valor de resistencia de la resistencia son consistentes, el voltaje de salida del punto cero del puente puede ser pequeño y la deriva térmica del punto cero también es pequeña, lo cual es muy beneficioso para mejorar el rendimiento del sensor. Sin embargo, no es fácil lograr una distribución uniforme del dopaje durante la difusión, por lo que se requiere que las tiras de varistores estén lo más cerca posible y lo más cortas posible.
Análisis del circuito de la causa de la deriva térmica del punto cero: Idealmente, los valores de resistencia de las cuatro resistencias difusas que forman el puente de Wheatstone deberían ser iguales. La deriva de temperatura del punto cero es causada por el cambio del valor de la resistencia difundida con la temperatura. Dentro de un cierto rango de temperatura, el valor de la resistencia aumenta con el aumento de la temperatura, es decir, el coeficiente de temperatura R de la resistencia difundida es positivo.
Soluciones a problemas de deriva del sensor
En general, la compensación de la deriva del cero de los sensores de presión se puede dividir en dos direcciones: compensación de hardware y compensación de software.
Método de compensación cero de hardware: Método de resistencia constante apropiado en serie y paralelo en el brazo del puente: método de compensación del termistor del brazo del puente, método de compensación del termistor en serie externa del puente y método de compensación del termistor en paralelo, tecnología de compensación de puente dual, tecnología de compensación del transistor, etc.
Optimice el diseño del circuito: Un diseño de circuito razonable puede reducir el impacto de la deriva del sensor. Por ejemplo, el uso de un circuito de compensación de temperatura puede corregir el impacto de los cambios de temperatura en los valores de salida del sensor y mejorar la precisión y estabilidad de las mediciones. Además, también se pueden utilizar métodos de diseño de circuitos, como el filtrado y la amplificación, para eliminar el impacto de los cambios en la fuente de alimentación y las interferencias ambientales en los sensores.
Método de deriva cero de compensación de software: En el proceso de adquisición de señal, desde el momento en que no se produce la señal de activación hasta el momento en que se activa la adquisición y después de que se completa la adquisición, la señal de entrada es cero y la señal de salida no es cero. Estos datos de salida recopilados existen en forma de ruido aleatorio, lo que no tiene sentido para el cálculo y procesamiento de datos. Definimos el valor de la señal recopilada durante este período como deriva cero.
Los métodos de software adoptados son:
Método de especificación de ajuste polinomial. Dado que en la medición real, la temperatura, la presión y otras cantidades físicas medidas por el sensor de presión no tendrán una relación lineal estricta con el valor de salida, la relación funcional suele tener la forma de un polinomio. Los polinomios se pueden utilizar para ajustar señales no lineales y la clave es resolver sus coeficientes.
Método de red neuronal RBF. Principio básico: Por lo general, el método de fórmula en el algoritmo del software de compensación de temperatura de punto cero es relativamente complejo y la precisión del ajuste suele ser limitada. El método de red neuronal artificial tiene las ventajas de una pequeña cantidad de muestras, un algoritmo simple, la capacidad de aproximar funciones arbitrarias y buenas perspectivas de aplicación.
Además, el método del software también incluye el método de búsqueda de tablas, el método de interpolación, etc.
Para reducir el impacto de la deriva, se pueden tomar las siguientes medidas:
Estabilice la temperatura: mantenga el sensor en un estado de temperatura constante tanto como sea posible para evitar el impacto de las fluctuaciones de temperatura.
Utilice medidas de compensación de temperatura: agregue un sensor de temperatura dentro del sensor para realizar una compensación de corrección detectando cambios de temperatura.
Elija un método de unión de sustrato adecuado: un método de unión de sustrato adecuado puede reducir el impacto de la tensión mecánica.
Elija un amplificador independiente: utilice un amplificador independiente para amplificar la señal, que no se ve afectado por otros factores externos y puede reducir los problemas de deriva.
Utilice tecnología de calibración automática: mediante la calibración automática, el sensor puede mantener una salida estable en diferentes temperaturas, humedad y otros entornos.
Elija un sensor de alta precisión: la deriva de un sensor de alta precisión es pequeña, lo que puede reducir el impacto.
Procese los datos de deriva: al recopilar datos durante un período de tiempo y promediar los datos de deriva, se puede reducir el impacto de la deriva en los resultados de la medición.
