Općenito, prije digitalne obrade, senzori pritiska često opisuju značajke kao što su histereza (pritisak, temperatura), linearnost, temperaturni koeficijent, i druge karakteristične parametre u specifikacijama proizvoda. Međutim, nakon digitalne obrade, senzori tlaka ili odašiljači obično više ne opisuju ove pokazatelje parametara kada opisuju karakteristike izlaznog signala; umjesto toga, oni pružaju ukupne parametre točnosti mjerenja. Ova razlika nije zato što digitalna obrada može eliminirati karakteristike poput histereze, već zato što nakon digitalne obrade postaje teško razlikovati jesu li određene karakteristike kao što je histereza uzrokovane mjernim signalom senzorskog elementa ili samom obradom firmvera. Stoga je općenito razumnije kombinirati pogreške mjerenja uzrokovane histereza, temperaturne karakteristike i proces kvantizacije u specifikacije konačne točnosti mjerenja, pogreške i dugoročne stabilnosti proizvoda.
Katalog
Greške senzora
Sve dok postoji mjerenje, neizbježno će biti grešaka. Za određene aplikacije, čak i ako greške postoje, one su u određenom smislu relativne. Sve dok je pogreška unutar prihvatljivog raspona, može se tolerirati, a profesionalni korisnici općenito slijede načelo “dostatnost, zatim prednost” prilikom odabira senzora. U primjenama senzora tlaka, karakteristike koje izazivaju zabrinutost uključuju, ali nisu ograničene na sljedeće:
- Raspon mjerenja tlaka: FSO-kPa (diferencijalni tlak/statički tlak, nadtlak/zabrtvljeni nadtlak, apsolutni tlak)
· Pogreška mjerenja tlaka: ±kPa
· Rezolucija mjerenja: kPa/bit
· Radni napon/struja
· Raspon skladištenja i radne temperature, mjerni medij
· Karakteristike odziva na pritisak, ponovljivost, dugoročna stabilnost
Ispod ovih parametara tlaka nalazi se jezgra ili modul senzora koji može pretvoriti tlak u električni signal. Postoji više principa za mjerenje tlaka, ali ne može svaki princip pokriti sve vrste i raspone tlaka. Ova načela uključuju:
- Piezorezističan
- Sputtered Thin Film
- Silicij rezonantan
- Kapacitivni
- Vrtložna struja
- Force Balance, Bourdonova cijev od rastaljenog kvarca
- Mjerač naprezanja …
Ispod je kratka analiza pogreške za senzore tlaka na temelju piezorezistivan načelo.
Lik-1: Iz silikonski čip do različite primjene pakiranja od piezorezistivni senzori tlaka
Na slici 1 navedeno je nekoliko tipičnih oblika koji se široko koriste u različitim područjima na temelju piezorezistivni senzori tlaka od golih kalupa do nekoliko vrsta pakiranja. Neke vrste proizvoda imaju samo vanjsko pakiranje; neki imaju izlazne analogne signale unutar odgovarajućeg raspona koji su temperaturno kompenzirani i kalibrirani za zamjenjivost; neki dodatno pojačavaju analogni signal; a drugi provode digitalnu obradu prije ispisa. Tu su i transmiteri tlaka koji nakon digitalne kalibracije koriste odgovarajuće protokole sučelja koji se široko primjenjuju u industriji, kao i integrirani moduli koji uključuju druge senzore kao što su temperaturni ili plinski senzori za automobilsku, medicinsku i druge industrije. Osim toga, neki uređaji koriste karakteristike tlaka medija koji se mjeri za određivanje drugih fizičkih veličina—na primjer, senzori protoka temeljeni na niskim senzori diferencijalnog tlaka koristi se u ventilatorima.
Općenito govoreći, prije digitalne obrade, senzori pritiska često opisuju značajke kao što su histereza (pritisak, temperatura), linearnost, i temperaturni koeficijent u svojim odjeljcima sa specifikacijama. Nakon digitalne obrade, međutim, senzori tlaka ili odašiljači obično ne opisuju ove pokazatelje kada opisuju karakteristike izlaznog signala, već umjesto toga pružaju općenite točnost mjerenja parametri. Ova razlika nije zato što digitalna obrada može eliminirati karakteristike poput histereza, nego zato što nakon digitalne obrade postaje teško razlučiti jesu li karakteristike (npr. histereza) uzrokovane mjernim signalom senzorskog elementa ili samom obradom firmvera. Stoga, pogreške mjerenja uzrokovane histereza i temperaturne karakteristike, zajedno s pogreškama kvantizacije, općenito se kombiniraju u specifikacije konačnog proizvoda za točnost mjerenja, greška i dugoročna stabilnost.
Digitalno kondicioniranje često se rijetko bavi simetrijom senzorskog mosta. Ako se uzme u obzir učinak pomaknuti raspodjela u točki nultog opterećenja a piezorezistivni senzor tlaka o pojačanju prednjeg kruga pojačanja, kao i o utjecaju naknadnog ADC-a na razlučivost efektivnog signala (FSO) zbog varijacija pojačanja, potreban je sveobuhvatan pristup. Nakon digitalne obrade, osim ako je potrebno, pomaknuti izračunava se iz navedene nulte točke.
Analogna kompenzacija i kalibracija, prije nego ADC sudjeluje u obradi, može značajno poboljšati zamjenjivost proizvoda poboljšanjem simetrije (0-točka pomaknuti izlaz se približava 0V), temperaturna osjetljivost, i dosljednost izlaza. Stoga obje metode imaju svoje karakteristike. U sljedećoj analizi pogreške senzora tlaka, raspravljat će se samo o tlačnim proizvodima koji su prošli temperaturnu kompenzaciju i kalibraciju pomoću mreža otpornika, a ne o onima nakon digitalne obrade.
Na temelju karakteristika piezorezistivni senzori tlaka, liječenje pogreške općenito se dijeli na dvije vrste:
- Nadoknadive pogreške (obično uzrokovano utjecajem temperature i ponovljivi su)
- Pogreške koje se ne mogu nadoknaditi (općenito uzrokovano pritiskom, temperaturom i stresom pakiranja, te se ne ponavljaju)
Naravno, čak i za nadoknadivi dio pogreške, različite metode kompenzacije mogu postići različite stupnjeve poništavanja pogreške.
Lik-2: Usporedba rezultata karakteristike (zelena) piezorezistivnog senzora tlaka na a fiksni temperatura s idealan senzor pritiska izlaz (plava)
Za kasniju analizu pogreške, slika-2 prikazuje opće karakteristike izlaza a piezorezistivni senzor tlaka. Pojmovi korišteni na slici su sljedeći:
- Nula: Idealna referentna nulta točka
- Pomak: Stvarno izlazno odstupanje pri nultom opterećenju, tj. izlazni napon kada se primijeni nulto opterećenje
- FSO: Izlaz pune skale, razlika u izlaznom signalu od tlaka pune skale do nulte točke
- BFSLNL: Nelinearnost u odnosu na najbolju ravnu liniju
Karakteristike senzora i analiza grešaka
Zatim ćemo detaljno pogledati srednji tlak od 40 kPa piezorezistivni senzor tlaka marke WF. Nakon pakiranja, kalibracije i kompenzacija temperature korištenjem modula tlaka od nehrđajućeg čelika 316L, parametri su sljedeći:
Podaci u tablici (npr. ±1% FS, itd.) obično su konačna točnost dobivena "nakon kalibracije/kompenzacije", koja je već ispravljena za većinu ponovljivih temperaturnih pogrešaka, pogrešaka pojačanja, nulte pristranosti itd. Pravo "nekalibrirano" odstupanje često uzima u obzir različite vrste raspršenja uključujući početnu nultu točku, osjetljivost, naprezanje paketa itd., što može lako dodati više od ±10% FS.
Istinski"nekalibriran” odstupanje često uzima u obzir različite vrste raspršenja, uključujući početnu nulu, osjetljivost, naprezanje paketa itd., što može lako dodati više od ±10% FS.
Stoga mnogi proizvođači navode samo kalibriranu ili kompenziranu kombiniranu točnost (npr. 1% FS, 2% FS) u njihovom “konačne specifikacije” i ne navode izravno u tehničkom listu konačnog proizvoda koliko ±% FS pogreška "originalni” možda ima.
Čimbenici koji utječu na pogreške
Tipični utjecaji pogreške uključuju referencu greške napona, greške pojačala, greške senzora, i učinak od buka na točnost mjerenja.
(1) Greška referentnog napona
Referentni napon se koristi za usporedbu sa stvarnom mjernom vrijednošću, tako da je stvarna vrijednost ovog referentnog napona vrlo važna i potrebna je periodična kalibracija ili softverska kalibracija referentnog napona za ispravljanje ove osnovne pogreške mjerenja. Temperaturni koeficijent od 100 ppm/°C na 0°C do 25°C imat će pogrešku do 2500 ppm, ili 0,25% punog raspona ljestvice.
(2) Pogreška pojačala
Operacijska pojačala mogu uzrokovati pogreške zbog pomaka nule izvan faze i drugih razloga. Operacijsko pojačalo ulaznog signala senzora koje će utjecati na točnost mjerenja. Kao što su senzori tlaka, senzori tlaka, na primjer, signal pune skale od 20 mV imat će 5% pomaka, to jest 1 mV ulaznog prednapona. Ova ulazna pogreška prednaprezanja može izravno smanjiti točnost mjerenja, uz dovoljan dinamički raspon A/D pretvarača moguće je koristiti softver za uklanjanje ove pogreške.
(3) Greška senzora
Malo je vjerojatno da će senzori postići idealno stanje zbog obrade i mogu se pojaviti pogreške. Možda će biti teško ispraviti pogreške senzora. Na primjer, u slučaju senzora tlaka, čak i ako su linearno kalibrirani tijekom procesa proizvodnje, količina varijacija u izlaznom faktoru ljestvice između različitih uređaja u aplikaciji još uvijek je velika. Referentni napon senzora tlaka obično se generira pobudom, koja proizvodi proporcionalnu metodu mjerenja preko Whistonova mosta, što u određenoj mjeri eliminira pogrešku pomaka, ali će i dalje biti generiran prednapon jer mostovi ne mogu biti međusobno potpuno simetrični. Uzimajući senzor tlaka kao primjer, pomak 1 senzora niskog tlaka, njegova pogreška pristranosti uvelike je uzrokovana asimetrijom mosta.
(4) Učinci buke
Buka ima mnogo izvora, uključujući povezanu buku iz obližnjih brzih digitalnih logičkih sklopova, izvora napajanja, motora ventilatora, solenoidnih ventila i RF EMI. Buka se može smanjiti pravilnim dizajnom uzemljenja, metodama zaštite i rasporedom ploča. Osim toga, mogu se odabrati operacijska pojačala koja minimiziraju uneseni šum i imaju dovoljnu propusnost pojačanja. Operacijska pojačala mogu se ocijeniti na temelju količine unesene buke, koja se utvrđuje iz mjerenja signala preko neograničene širine pojasa (široke pojasne širine) ili definirane širine pojasa.
A/D pretvarači
Kada koristite A/D pretvarač, pozadinski šum je odlučujući faktor u dostupnoj točnosti mjerenja. Kada je uređaj ocijenjen za 24-bitnu razlučivost, stvarna točnost koju postiže pretvarač obično je niža zbog ograničenja uzrokovanih šumom. Ovdje je potrebno napraviti razliku između efektivnog bita i vrlo niske vrijednosti šuma, pri čemu se specifikacija efektivnog bita izračunava iz RMS vrijednosti razine šuma, a vrlo niska vrijednost šuma temelji se na vrijednosti od vrha do vrha, koja obično odgovara čak 6,6 puta većoj statističkoj RMS vrijednosti. Stoga specifikacija vrlo niskog šuma ukazuje na učinkovitu rezoluciju pretvarača, koja ostaje stabilna na LSB bitovima iznad pozadinskog šuma. Posebnu pozornost također treba obratiti na ograničenja u specifikaciji, kao što su referentni napon i ulazni raspon, koji mogu varirati od aplikacije do aplikacije, a obećanja u podatkovnoj tablici mogu se znatno razlikovati od stvarnog omjera.
Operacijska pojačala
Teško je za pojačalo postići nizak šum i visok dobitak u isto vrijeme. Tada je potrebno dovesti razinu buke pojačala u isti raspon kao i njegova pogreška. Sva poluvodička pojačala imaju šum 1/f, poznat i kao šum treperenja, koji je temeljni fenomen zbog materijala. Suprotno frekvenciji, ispod određene točke infleksije šuma, gustoća šuma raste eksponencijalno i postaje vrlo velika na niskim frekvencijama. Nekoliko pojačala može realizirati ovu kombinaciju niskog šuma i karakteristika visokog pojačanja u jednom čipu po niskoj cijeni.
Da bi se postigao nizak šum i veliki dobitak, mogu se dizajnirati hibridni krugovi s više pojačala, koristeći kombinaciju ulaznih pojačala s visokom ulaznom impedancijom, strujni krug za ispravljanje ulaznih pogrešaka i drugo (ili treće) kompenzacijsko pojačalo za postizanje željenog dobitka. Pojačala koja se koncentriraju na jedan parametar često predstavljaju ozbiljne probleme u drugim područjima.
Završne misli
To je razlog zašto, u praktičnim primjenama, ako izravno kupimo nekalibrated bare-die ili jednostavno zapakirano piezootporni senzor tlaka i sami upravljati projektiranjem strujnog kruga i temperaturnom kompenzacijom, mogli bismo se suočiti s a značajan početni pomak. Međutim, ako kupimo a digitalno kompenzirano/kalibrirano senzor tlaka ili transmiter s ugrađenom kompenzacijom, možemo izravno postići manja ukupna greška (kao što je ±1% FS) navedeno u podatkovnoj tablici.
Gornji uvod samo zagrebe površinu primjene tehnologije senzora tlaka. Nastavit ćemo istraživati različite vrste senzorskih elemenata koji se koriste u različitim proizvodima, kako rade te njihove prednosti i nedostatke. Ako želite više pojedinosti o tome što se ovdje raspravlja, možete provjeriti povezani sadržaj kasnije u ovom vodiču. Ako ste u stisci s vremenom, također možete kliknuti ovdje za preuzimanje pojedinosti o ovim vodičima Podaci o senzoru zračnog tlaka PDF podaci.
Za više informacija o drugim tehnologijama senzora, molimo Posjetite našu stranicu senzora.