Johdanto: Käytämme paljon paineantureita, ja huomaamme usein, että paineanturit ajautuvat käytön jälkeen. Mikä aiheuttaa paineanturin ajautumisen? Kuinka voimme poistaa paineanturin ajautumisen suunnittelun aikana?
Anturin syyt
Sensor drift viittaa ilmiöön, jossa anturin lähtöarvo muuttuu ajan myötä. Tämä ajautuminen voi aiheuttaa epätarkkoja anturin mittaustuloksia, mikä vaikuttaa sen luotettavuuteen ja vakauteen käytännön sovelluksissa. Anturien ajautumiseen on monia syitä, jotka esitellään yksitellen alla.
Lämpötilan muutos: Lämpötilan muutos on yksi yleisimmistä syistä anturien siirtymiseen. Lämpötilan muutokset voivat aiheuttaa anturielementin sisällä olevan materiaalin laajenemista ja supistumista, mikä puolestaan vaikuttaa anturin mekaaniseen rakenteeseen ja sähköisiin ominaisuuksiin aiheuttaen lähtöarvon ajautumista. Esimerkiksi lämpötilan nousu lisää vastusanturin resistanssiarvoa, mikä johtaa korkeampaan lähtöarvoon.
Virransyötön muutokset: Anturin lähtöarvoon vaikuttaa syöttöjännite. Kun syöttöjännite muuttuu, myös anturin lähtöarvo muuttuu. Tämä johtuu siitä, että syöttöjännitteen muutokset muuttavat anturin sisäisen piirin toimintatilaa, mikä puolestaan vaikuttaa lähtösignaalin amplitudiin ja stabiilisuuteen.
Pitkäaikainen käyttö: Pitkäaikainen käyttö on myös tärkeä syy anturin ajautumiseen. Käytön aikana anturiin voivat vaikuttaa mekaaniset, kemialliset tai lämpölaajenemis- ja supistumistekijät, mikä aiheuttaa muutoksia sen sisäisessä rakenteessa, mikä puolestaan aiheuttaa lähtöarvon ajautumista. Lisäksi anturiin voivat vaikuttaa myös ulkoiset ympäristötekijät, kuten tärinä ja isku, mikä entisestään pahentaa drift-ilmiötä.
Anturin vanheneminen: Ajan mittaan anturin suorituskyky saattaa heikentyä vähitellen ja ajautua. Tämä johtuu siitä, että anturin sisällä olevat materiaalit ja komponentit vanhenevat käyttöajan pidentyessä, jolloin sen fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat. Esimerkiksi anturin sisällä oleva elektrolyytti valuu vähitellen pois, jolloin sen herkkyys ja vakaus heikkenevät, mikä puolestaan aiheuttaa lähtöarvon ajautumista.
Ympäristövaikutukset: Myös ympäristötekijät voivat vaikuttaa anturin ajautumiseen. Esimerkiksi muutokset ympäristötekijöissä, kuten ilmanpaineessa, kosteudessa ja valossa, voivat aiheuttaa anturin lähtöarvon ajautumisen. Tämä johtuu siitä, että ympäristötekijöiden muutokset muuttavat anturin ja mitattavan kohteen välistä vuorovaikutusta, mikä vaikuttaa mittaustarkkuuteen ja anturin vakauteen.
Paineantureiden kehittämisen alkuaikoina lasijauhetta käytettiin hajaantuneen piisirun ja metallipohjan tiivistämiseen. Haittapuolena oli, että painesirun ympärillä oli suuri jännitys, eikä jännitystä voitu kokonaan poistaa edes hehkutuksen jälkeen. Lämpötilan muuttuessa metallin, lasin ja hajapiilastujen erilaisista lämpölaajenemiskertoimista johtuen syntyy lämpörasitusta, joka aiheuttaa anturin nollapisteen ajautumisen. Tästä syystä anturin nollapisteen lämpöpoikkeama on paljon suurempi kuin sirun nollapisteen lämpöryömintä. Jos hopeatahnaa ja liitinhitsausta ei käsitellä oikein, on helppo aiheuttaa epävakaa kosketusvastus. Varsinkin kun lämpötila muuttuu, kosketusresistanssi muuttuu todennäköisemmin. Nämä tekijät ovat syitä anturin suureen nollapisteen ja lämpötilan poikkeamaan.
Puolijohteiden teoriaanalyysi nollapisteen lämpöryöminnästä: Vain kun seostuspitoisuus ja vastuksen resistanssiarvo ovat samat, sillan nollapisteen lähtöjännite voi olla pieni ja nollapisteen lämpöryömintä on myös pieni, mikä on erittäin hyödyllistä anturin suorituskyvyn parantamiseksi. Tasaisen dopingjakauman saavuttaminen diffuusion aikana ei kuitenkaan ole helppoa, joten varistoriliuskojen on oltava mahdollisimman lähellä ja mahdollisimman lyhyitä.
Piirianalyysi nollapisteen lämpöpoikkeaman syystä: Ihannetapauksessa Wheatstonen sillan muodostavien neljän hajavastuksen vastusarvojen tulisi olla yhtä suuret. Nollapisteen lämpötilapoikkeama johtuu hajavastuksen arvon muutoksesta lämpötilan mukaan. Tietyllä lämpötila-alueella resistanssiarvo kasvaa lämpötilan noustessa, eli hajavastuksen lämpötilakerroin R on positiivinen.
Ratkaisut anturin ajautumisongelmiin
Kaiken kaikkiaan paineanturien nollapoikkeaman kompensointi voidaan jakaa kahteen suuntaan: laitteistokompensaatioon ja ohjelmistokompensaatioon.
Laitteiston nollakompensointimenetelmä: Sopiva vakiovastuksen menetelmä sarjassa ja rinnan siltavarressa: siltavarren termistorin kompensointimenetelmä, sillan ulkoinen sarja- ja rinnakkaistermistorikompensointimenetelmä, kaksoissiltakompensointitekniikka, transistorin kompensointitekniikka jne.
Optimoi piirisuunnittelu: Kohtuullinen piirisuunnittelu voi vähentää anturin ajautumisen vaikutusta. Esimerkiksi lämpötilan kompensointipiirin käyttö voi korjata lämpötilan muutosten vaikutusta anturin lähtöarvoihin ja parantaa mittaustarkkuutta ja vakautta. Lisäksi piirisuunnittelumenetelmillä, kuten suodatuksella ja vahvistuksella, voidaan eliminoida tehonsyötön muutosten ja ympäristön häiriövaikutuksia antureille.
Ohjelmiston kompensoinnin nollaryömintämenetelmä: Signaalinhankintaprosessissa tulosignaali on nolla ja lähtösignaali ei ole nolla hetkestä, jolloin liipaisusignaalia ei esiinny, siihen hetkeen, jolloin hankinta laukeaa, ja sen jälkeen, kun hankinta on suoritettu loppuun. Tämä kerätty ulostulodata esiintyy satunnaisena kohinana, jolla ei ole merkitystä datan laskennan ja käsittelyn kannalta. Määrittelemme tänä aikana kerätyn signaalin arvon nollapoikkeamaksi.
Käytetyt ohjelmistomenetelmät ovat:
Polynomisen sovituksen määrittelymenetelmä. Koska varsinaisessa mittauksessa paineanturin mittaamilla lämpötilalla, paineella ja muilla fysikaalisilla suureilla ei ole tiukkaa lineaarista suhdetta lähtöarvoon, toiminnallinen suhde on usein polynomin muodossa. Polynomeja voidaan käyttää epälineaaristen signaalien sovittamiseen, ja avain on ratkaista niiden kertoimet.
RBF-hermoverkkomenetelmä. Perusperiaate: Yleensä nollapisteen lämpötilan kompensointiohjelmistoalgoritmin kaavamenetelmä on suhteellisen monimutkainen ja sovitustarkkuus on usein rajallinen. Keinotekoisen hermoverkkomenetelmän etuna on pieni määrä näytteitä, yksinkertainen algoritmi, kyky approksimoida mielivaltaisia toimintoja ja hyvät sovellusmahdollisuudet.
Lisäksi ohjelmistomenetelmään kuuluu myös taulukkohakumenetelmä, interpolointimenetelmä jne.
Seuraaviin toimenpiteisiin voidaan ryhtyä ajautumisen vaikutuksen vähentämiseksi:
Lämpötilan vakauttaminen: Pidä anturi mahdollisimman vakiona lämpötilan vaihteluiden välttämiseksi.
Käytä lämpötilan kompensointitoimenpiteitä: Lisää lämpötila-anturi anturin sisään suorittaaksesi korjauskompensoinnin lämpötilan muutoksia havaitsemalla.
Valitse sopiva alustan liimausmenetelmä: Sopiva alustan liimausmenetelmä voi vähentää mekaanisen rasituksen vaikutusta.
Valitse itsenäinen vahvistin: Käytä itsenäistä vahvistinta signaalin vahvistamiseen, johon muut ulkoiset tekijät eivät vaikuta ja joka voi vähentää ajautumisongelmia.
Käytä automaattista kalibrointitekniikkaa: Automaattisen kalibroinnin avulla anturi voi ylläpitää vakaata lähtöä erilaisissa lämpötiloissa, kosteissa ja muissa ympäristöissä.
Valitse erittäin tarkka anturi: Erittäin tarkan anturin poikkeama on pieni, mikä voi vähentää iskua.
Käsittele ryömintädataa: Keräämällä dataa tietyltä ajanjaksolta ja laskemalla ryömintätiedoista keskiarvoa, ajautumisen vaikutusta mittaustuloksiin voidaan vähentää.
