Uvod: Koristimo mnogo senzora tlaka i često otkrijemo da će senzori tlaka pomaknuti nakon razdoblja korištenja. Što uzrokuje pomicanje senzora tlaka? Kako možemo eliminirati odstupanje senzora tlaka tijekom projektiranja?
Uzroci pomaka senzora
Odstupanje senzora odnosi se na pojavu da se izlazna vrijednost senzora mijenja tijekom vremena. Ovo odstupanje može uzrokovati netočne rezultate mjerenja senzora, utječući na njegovu pouzdanost i stabilnost u praktičnim primjenama. Postoji mnogo razloga za pomicanje senzora, koji će biti predstavljeni jedan po jedan u nastavku.
Promjena temperature: Promjena temperature jedan je od uobičajenih uzroka pomaka senzora. Promjene temperature mogu uzrokovati širenje i skupljanje materijala unutar senzorskog elementa, što zauzvrat utječe na mehaničku strukturu i električne karakteristike senzora, uzrokujući pomicanje izlazne vrijednosti. Na primjer, povećanje temperature će povećati vrijednost otpora senzora otpornika, što će rezultirati većom izlaznom vrijednošću.
Promjene napajanja: Na izlaznu vrijednost senzora utječe napon napajanja. Kada se napon napajanja promijeni, izlazna vrijednost senzora će se također promijeniti. To je zato što će promjene u naponu napajanja uzrokovati promjenu radnog stanja unutarnjeg kruga senzora, što zauzvrat utječe na amplitudu i stabilnost izlaznog signala.
Dugotrajna uporaba: Dugotrajna uporaba također je važan uzrok pomaka senzora. Tijekom uporabe senzor može biti pod utjecajem mehaničkih, kemijskih ili toplinskih čimbenika širenja i skupljanja, uzrokujući promjene u njegovoj unutarnjoj strukturi, što zauzvrat uzrokuje pomicanje izlazne vrijednosti. Osim toga, na senzor mogu utjecati i vanjski čimbenici okoline kao što su vibracije i udarci, što dodatno pogoršava fenomen pomaka.
Starenje senzora: S vremenom, performanse senzora mogu postupno opadati i može doći do pomaka. To je zato što će materijali i komponente unutar senzora stareti s povećanjem vremena korištenja, uzrokujući promjenu njegovih fizičkih svojstava. Na primjer, elektrolit unutar senzora postupno će otjecati, uzrokujući smanjenje njegove osjetljivosti i stabilnosti, što zauzvrat uzrokuje pomicanje izlazne vrijednosti.
Utjecaj okoline: Na pomicanje senzora također mogu utjecati čimbenici okoline. Na primjer, promjene čimbenika okoline kao što su tlak zraka, vlaga i svjetlost mogu uzrokovati pomicanje izlazne vrijednosti senzora. To je zato što će promjene čimbenika okoline promijeniti interakciju između senzora i objekta koji se mjeri, čime će utjecati na točnost mjerenja i stabilnost senzora.
U ranim danima razvoja senzora tlaka, stakleni prah se koristio za brtvljenje difuznog silikonskog čipa i metalne baze. Nedostatak je bio veliki stres oko tlačnog čipa, a ni nakon žarenja stres se nije mogao potpuno eliminirati. Kada se temperatura promijeni, zbog različitih koeficijenata toplinske ekspanzije metala, stakla i difuznih silicijevih čipova, generirat će se toplinski stres, uzrokujući pomicanje nulte točke senzora. Zbog toga je toplinski pomak nulte točke senzora puno veći od toplinskog pomaka nulte točke čipa. Ako se srebrnom pastom i zavarivanjem terminala ne rukuje ispravno, lako je uzrokovati nestabilan kontaktni otpor. Osobito kada se temperatura promijeni, veća je vjerojatnost da će se kontaktni otpor promijeniti. Ovi faktori su razlozi za veliki pomak nulte točke i temperaturni pomak senzora.
Analiza teorije poluvodiča o uzroku toplinskog pomaka nulte točke: Samo kada su koncentracija dopinga i vrijednost otpora otpornika konzistentne, izlazni napon nulte točke mosta može biti mali, a toplinski pomak nulte točke također je mali, što je vrlo korisno za poboljšanje performansi senzora. Međutim, nije lako postići ravnomjernu raspodjelu dopinga tijekom difuzije, tako da trake varistora moraju biti što bliže i što kraće.
Analiza strujnog kruga uzroka toplinskog pomaka nulte točke: U idealnom slučaju, vrijednosti otpora četiri difuzna otpornika koji čine Wheatstoneov most trebaju biti jednake. Pomak temperature nulte točke uzrokovan je promjenom vrijednosti difuznog otpornika s temperaturom. Unutar određenog temperaturnog područja vrijednost otpora raste s porastom temperature, odnosno temperaturni koeficijent R difuznog otpornika je pozitivan.
Rješenja za probleme pomicanja senzora
Sve u svemu, kompenzacija pomaka nule senzora tlaka može se podijeliti u dva smjera: kompenzacija hardvera i kompenzacija softvera.
Metoda hardverske nulte kompenzacije: Odgovarajuća metoda konstantnog otpora u seriji i paralelno na kraku mosta: metoda kompenzacije termistora kraka mosta, metoda kompenzacije vanjskog serijskog i paralelnog termistora mosta, tehnologija kompenzacije dvostrukog mosta, tehnologija kompenzacije tranzistora itd.
Optimizirajte dizajn kruga: Razuman dizajn kruga može smanjiti utjecaj pomaka senzora. Na primjer, korištenje kruga temperaturne kompenzacije može ispraviti utjecaj promjena temperature na izlazne vrijednosti senzora i poboljšati točnost i stabilnost mjerenja. Osim toga, metode dizajna strujnog kruga kao što su filtriranje i pojačanje također se mogu koristiti za uklanjanje utjecaja promjena napajanja i smetnji okoline na senzore.
Metoda nultog pomaka softverske kompenzacije: U procesu akvizicije signala, od trenutka kada se signal okidanja ne pojavi do trenutka kada je akvizicija pokrenuta i nakon što je akvizicija završena, ulazni signal je nula, a izlazni signal nije nula. Ovi prikupljeni izlazni podaci postoje u obliku slučajnog šuma, koji je besmislen za izračun i obradu podataka. Vrijednost signala prikupljenu tijekom ovog razdoblja definiramo kao pomak nule.
Usvojene softverske metode su:
Metoda specifikacije fitinga polinoma. Budući da u stvarnom mjerenju temperatura, tlak i druge fizikalne veličine koje mjeri senzor tlaka neće imati striktni linearni odnos s izlaznom vrijednošću, funkcionalni odnos je često u obliku polinoma. Polinomi se mogu koristiti za uklapanje nelinearnih signala, a ključ je riješiti njihove koeficijente.
RBF metoda neuronske mreže. Osnovno načelo: Obično je metoda formule u softverskom algoritmu za temperaturnu kompenzaciju nulte točke relativno složena, a točnost prilagođavanja često je ograničena. Metoda umjetne neuronske mreže ima prednosti malog broja uzoraka, jednostavnog algoritma, mogućnosti aproksimacije proizvoljnih funkcija i dobrih izgleda za primjenu.
Osim toga, softverska metoda također uključuje metodu pretraživanja tablice, metodu interpolacije itd.
Kako bi se smanjio utjecaj zanošenja, mogu se poduzeti sljedeće mjere:
Stabilizirajte temperaturu: Održavajte senzor u stanju konstantne temperature što je više moguće kako biste izbjegli utjecaj temperaturnih fluktuacija.
Koristite mjere temperaturne kompenzacije: dodajte senzor temperature unutar senzora kako biste izvršili kompenzaciju korekcije očitavanjem promjena temperature.
Odaberite prikladnu metodu lijepljenja podloge: Prikladna metoda lijepljenja podloge može smanjiti utjecaj mehaničkog naprezanja.
Odaberite neovisno pojačalo: Za pojačavanje signala koristite neovisno pojačalo na koje ne utječu drugi vanjski čimbenici i može smanjiti probleme s pomicanjem.
Koristite tehnologiju automatske kalibracije: putem automatske kalibracije, senzor može održavati stabilan izlaz pod različitim temperaturama, vlažnosti i drugim okruženjima.
Odaberite senzor visoke preciznosti: Pomak senzora visoke preciznosti je mali, što može smanjiti utjecaj.
Obradite podatke o pomaku: prikupljanjem podataka tijekom određenog vremenskog razdoblja i izračunavanjem prosjeka podataka o pomaku, može se smanjiti utjecaj pomaka na rezultate mjerenja.
