Qu’est-ce qui cause la dérive du capteur de pression ?
Introduction : Nous utilisons beaucoup de capteurs de pression et nous constatons souvent que les capteurs de pression dérivent après une période d'utilisation. Qu’est-ce qui fait dériver le capteur de pression ? Comment pouvons-nous éliminer la dérive du capteur de pression lors de la conception ?
Causes de dérive du capteur
La dérive du capteur fait référence au phénomène selon lequel la valeur de sortie du capteur change au fil du temps. Cette dérive peut entraîner des résultats de mesure du capteur inexacts, affectant sa fiabilité et sa stabilité dans les applications pratiques. Il existe de nombreuses raisons à la dérive du capteur, qui seront présentées une par une ci-dessous.
Changement de température : le changement de température est l'une des causes courantes de dérive du capteur. Les changements de température peuvent provoquer l'expansion et la contraction du matériau à l'intérieur de l'élément du capteur, ce qui affecte à son tour la structure mécanique et les caractéristiques électriques du capteur, provoquant une dérive de la valeur de sortie. Par exemple, une augmentation de la température augmentera la valeur de résistance d'un capteur à résistance, ce qui entraînera une valeur de sortie plus élevée.
Modifications de l'alimentation électrique : La valeur de sortie du capteur est affectée par la tension d'alimentation. Lorsque la tension d'alimentation change, la valeur de sortie du capteur change également. En effet, les changements dans la tension d'alimentation entraîneront une modification de l'état de fonctionnement du circuit interne du capteur, ce qui à son tour affecte l'amplitude et la stabilité du signal de sortie.
Utilisation à long terme : Une utilisation à long terme est également une cause importante de dérive du capteur. Pendant l'utilisation, le capteur peut être affecté par des facteurs de dilatation et de contraction mécaniques, chimiques ou thermiques, provoquant des modifications dans sa structure interne, ce qui entraîne une dérive de la valeur de sortie. De plus, le capteur peut également être affecté par des facteurs environnementaux externes tels que les vibrations et les impacts, aggravant encore le phénomène de dérive.
Vieillissement du capteur : Au fil du temps, les performances du capteur peuvent progressivement diminuer et une dérive peut se produire. En effet, les matériaux et composants à l’intérieur du capteur vieilliront avec l’augmentation de la durée d’utilisation, entraînant une modification de ses propriétés physiques. Par exemple, l'électrolyte à l'intérieur du capteur s'écoulera progressivement, ce qui entraînera une diminution de sa sensibilité et de sa stabilité, ce qui entraînera une dérive de la valeur de sortie.
Influence de l'environnement : La dérive du capteur peut également être affectée par des facteurs environnementaux. Par exemple, des changements dans les facteurs environnementaux tels que la pression atmosphérique, l'humidité et la lumière peuvent entraîner une dérive de la valeur de sortie du capteur. En effet, les changements dans les facteurs environnementaux modifieront l'interaction entre le capteur et l'objet à mesurer, affectant ainsi la précision et la stabilité des mesures du capteur.
Au début du développement des capteurs de pression, de la poudre de verre était utilisée pour sceller la puce de silicium diffusée et la base métallique. L'inconvénient était qu'il y avait une contrainte importante autour de la puce de pression, et même après le recuit, la contrainte ne pouvait pas être complètement éliminée. Lorsque la température change, en raison des différents coefficients de dilatation thermique des puces de métal, de verre et de silicium diffusé, une contrainte thermique sera générée, provoquant une dérive du point zéro du capteur. C'est pourquoi la dérive thermique du point zéro du capteur est bien supérieure à la dérive thermique du point zéro de la puce. Si la pâte d'argent et le soudage des bornes ne sont pas manipulés correctement, il est facile de provoquer une résistance de contact instable. Surtout lorsque la température change, la résistance de contact est plus susceptible de changer. Ces facteurs sont à l’origine de la grande dérive du point zéro et de la dérive de température du capteur.
Analyse de la théorie des semi-conducteurs de la cause de la dérive thermique du point zéro : ce n'est que lorsque la concentration de dopage et la valeur de résistance de la résistance sont cohérentes que la tension de sortie du point zéro du pont peut être faible et que la dérive thermique du point zéro est également faible, ce qui est très bénéfique pour améliorer les performances du capteur. Cependant, il n'est pas facile d'obtenir une répartition uniforme du dopage pendant la diffusion, c'est pourquoi les bandes de varistances doivent être aussi proches que possible et aussi courtes que possible.
Analyse du circuit de la cause de la dérive thermique du point zéro : Idéalement, les valeurs de résistance des quatre résistances diffusées qui composent le pont de Wheatstone devraient être égales. La dérive de la température du point zéro est causée par le changement de la valeur de la résistance diffusée avec la température. Dans une certaine plage de température, la valeur de la résistance augmente avec l'augmentation de la température, c'est-à-dire que le coefficient de température R de la résistance diffusée est positif.
Solutions aux problèmes de dérive des capteurs
Globalement, la compensation de la dérive zéro des capteurs de pression peut être divisée en deux directions : la compensation matérielle et la compensation logicielle.
Méthode de compensation matérielle zéro : Méthode de résistance constante appropriée en série et en parallèle sur le bras de pont : méthode de compensation de thermistance de bras de pont, méthode de compensation de thermistance externe en série et en parallèle, technologie de compensation à double pont, technologie de compensation de transistor, etc.
Optimiser la conception des circuits : Une conception de circuit raisonnable peut réduire l’impact de la dérive du capteur. Par exemple, l'utilisation d'un circuit de compensation de température peut corriger l'impact des changements de température sur les valeurs de sortie du capteur et améliorer la précision et la stabilité des mesures. De plus, des méthodes de conception de circuits telles que le filtrage et l'amplification peuvent également être utilisées pour éliminer l'impact des changements d'alimentation électrique et des interférences environnementales sur les capteurs.
Méthode de compensation logicielle de dérive zéro :In the signal acquisition process, from the time when the trigger signal does not occur to the time when the acquisition is triggered and after the acquisition is completed, the input signal is zero and the output signal is not zero. This collected output data exists in the form of random noise, which is meaningless for data calculation and processing. We define the signal value collected during this period as zero drift.
The software methods adopted are:
Méthode de spécification d’ajustement polynomial. Étant donné que dans les mesures réelles, la température, la pression et d'autres grandeurs physiques mesurées par le capteur de pression n'auront pas de relation linéaire stricte avec la valeur de sortie, la relation fonctionnelle se présente souvent sous la forme d'un polynôme. Les polynômes peuvent être utilisés pour ajuster des signaux non linéaires, et la clé est de résoudre leurs coefficients.
Méthode de réseau neuronal RBF. Principe de base : Habituellement, la méthode de formule dans l'algorithme du logiciel de compensation de température du point zéro est relativement complexe et la précision de l'ajustement est souvent limitée. La méthode des réseaux de neurones artificiels présente les avantages d'un petit nombre d'échantillons, d'un algorithme simple, de la capacité d'approcher des fonctions arbitraires et de bonnes perspectives d'application.
De plus, la méthode logicielle comprend également une méthode de recherche de table, une méthode d'interpolation, etc.
Pour réduire l’impact de la dérive, les mesures suivantes peuvent être prises :
Stabiliser la température : maintenez le capteur dans un état de température constante autant que possible pour éviter l'impact des fluctuations de température.
Utilisez des mesures de compensation de température : ajoutez un capteur de température à l'intérieur du capteur pour effectuer une compensation de correction en détectant les changements de température.
Choisissez une méthode de collage de substrat appropriée : Une méthode de collage de substrat appropriée peut réduire l'impact des contraintes mécaniques.
Choisissez un amplificateur indépendant : utilisez un amplificateur indépendant pour amplifier le signal, qui n'est pas affecté par d'autres facteurs externes et peut réduire les problèmes de dérive.
Utilisez la technologie d'étalonnage automatique : grâce à l'étalonnage automatique, le capteur peut maintenir une sortie stable sous différentes températures, humidité et autres environnements.
Choisissez un capteur de haute précision : La dérive d'un capteur de haute précision est faible, ce qui peut réduire l'impact.
Traiter les données de dérive : en collectant des données sur une période donnée et en faisant la moyenne des données de dérive, l'impact de la dérive sur les résultats de mesure peut être réduit.
