- Di Sensori WF
Questo articolo si concentra sui tipi di errori che incidono sulla precisione del sensore e sulle risposte pratiche degli ingegneri. L'obiettivo è aiutarti a individuare rapidamente i colli di bottiglia del sistema e scegliere soluzioni praticabili. Scegliendo l'hardware giusto, ottimizzando la progettazione del sistema e ripulendo la catena del segnale, è possibile migliorare notevolmente la stabilità e la ripetibilità del segnale. sensori di pressione ad alta precisione nei prodotti reali.
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1. Quadro generale degli errori di precisione del sensore
In un sistema di misurazione, l’errore raramente proviene da un unico punto: è la somma dei contributi di diversi sottosistemi. Si può pensare all'accuratezza complessiva come all'effetto combinato della sorgente di riferimento, dell'amplificazione front-end, dell'elemento di rilevamento stesso, dell'accoppiamento ambientale e dello stadio di conversione digitale. Durante la progettazione, adottare una visione di sistema: un errore di offset o guadagno in un punto verrà amplificato, filtrato e convertito a valle, spesso trasformando una piccola imperfezione hardware in un evidente errore di output. Quantificare la sensibilità dell'output del sistema a ciascun elemento consente di concentrare le risorse dove apportano il massimo miglioramento. Il connettore del sensore nella foto, un piccolo alloggiamento metallico, è un buon esempio: la sua confezione e il suo montaggio influiscono sull'accoppiamento termico e meccanico, che a sua volta cambia il modo in cui il sensore risponde.
Classificazione degli errori e impatto a livello di sistema
Gli errori generalmente rientrano in quattro tipi: offset (bias), errore di scala (guadagno), non linearità e rumore. L'offset sposta l'intera lettura; l'errore di scala modifica le letture proporzionali nell'intervallo; la non linearità si manifesta in modo diverso nelle diverse parti dell'intervallo; e il rumore imposta il cambiamento più piccolo rilevabile all'interno di una determinata larghezza di banda. L’analisi a livello di sistema significa attribuire a ciascuna fonte di errore un coefficiente di sensibilità, costruire un budget di errore e accumulare tali contributi nel caso peggiore. Ciò fornisce le prove per decidere dove migliorare l'hardware o dove la compensazione del software sarà sufficiente.
2. Impatto fondamentale della potenza e dei riferimenti sull'accuratezza
Le fonti di riferimento sono fondamentali perché la misurazione viene in definitiva confrontata con quel riferimento. Un riferimento progettato con cura riduce drasticamente la deriva indotta dalla temperatura e la distorsione a lungo termine. Ad esempio, negli intervalli operativi comuni, un piccolo coefficiente di temperatura nel riferimento può tradursi in una frazione significativa dell'errore su vasta scala. Scegliere quindi parti di riferimento a bassa deriva e a basso rumore e prestare attenzione al layout: materiale di disaccoppiamento, messa a terra e schermatura. Dal punto di vista del firmware, i controlli periodici o le routine di calibrazione basate su software possono correggere lente derive del riferimento nel tempo.
In che modo la qualità della fornitura e il progetto di riferimento contribuiscono alla distorsione della misurazione
Un'alimentazione stabile richiede una bassa impedenza di uscita e un disaccoppiamento appropriato, soprattutto per le misurazioni di piccoli segnali in cui i gradini di tensione transitoria diventano errori di misurazione. Fornire il disaccoppiamento locale nei nodi sensibili e considerare la regolamentazione e il filtraggio graduali. Nei dispositivi con spazio limitato, mantenere i riferimenti analogici fisicamente separati dalle aree di commutazione digitale rumorose per evitare l'accoppiamento. Un buon layout del PCB e la separazione dei domini di potenza riducono significativamente gli errori immessi.
3. Rumore e deriva negli amplificatori e nella catena dei piccoli segnali
Nella catena dei piccoli segnali, la scelta dell'amplificatore determina in gran parte il rapporto segnale/rumore ottenibile. L'offset e la deriva dell'amplificatore si convertono in errori di misurazione equivalenti all'ingresso: in piccoli sistemi a scala reale un piccolo offset di ingresso può significare un errore di diversi punti percentuali sull'uscita. Ottenere un basso rumore e un'elevata gamma dinamica è un atto di bilanciamento: la selezione del dispositivo e la topologia sono entrambe importanti. In pratica, utilizzerai uno stadio front-end a basso rumore e ad alta impedenza di ingresso e proseguirai con stadi di guadagno per raggiungere l'amplificazione complessiva richiesta mantenendo la larghezza di banda adeguata per le frequenze di misurazione.
Compromessi di progettazione per i circuiti amplificatori
I singoli amplificatori raramente forniscono sia un rumore molto basso che un guadagno molto elevato. Un approccio multistadio generalmente funziona meglio: un amplificatore di ingresso a basso rumore preserva il segnale debole, mentre gli stadi successivi aggiungono guadagno controllato e capacità di pilotaggio. I filtri devono essere scelti in modo che corrispondano alle frequenze di campionamento in modo da evitare aliasing e preservare il segnale di interesse. Bilancia attentamente l'impedenza di ingresso, le prestazioni di rumore e l'offset CC durante la scelta di parti o topologie.
4. Limiti di fabbricazione e assemblaggio dell'elemento sensibile
Gli errori derivanti dall'elemento sensore stesso (tolleranze di produzione, variabilità dei materiali e sollecitazioni di assemblaggio) sono spesso i più difficili da eliminare. Anche con la linearizzazione di fabbrica, gli output variano notevolmente da dispositivo a dispositivo. Molti sensori di pressione utilizzano un'eccitazione a ponte per creare un'uscita proporzionale; ciò aiuta a ridurre la deriva, ma l'asimmetria del ponte e lo stress di assemblaggio producono comunque offset. Il piccolo connettore con alloggiamento in metallo mostrato nell'immagine è utile per installazioni anguste ma comporta percorsi termici e trasferimento di stress che possono influenzare le letture; quindi pensa all'isolamento meccanico e ad un'attenta progettazione termica durante l'integrazione del prodotto.
Come la meccanica e l'installazione influenzano le letture a livello locale
La posizione di montaggio e la connessione meccanica modificano la distribuzione della temperatura locale e lo stato di sollecitazione attorno all'elemento sensibile, causando offset statici o alterazioni della non linearità. Una buona progettazione meccanica mira a ridurre al minimo le forze trasmesse al nucleo sensibile e, dove necessario, utilizza supporti flessibili o funzioni di compensazione per isolare le sollecitazioni indesiderate.
5. Limiti della conversione A/D e della digitalizzazione
Lo stadio A/D spesso determina la risoluzione utilizzabile: un dispositivo classificato con molti bit può essere limitato dal rumore ben al di sotto della risoluzione nominale. Distinguere tra bit nominali e bit effettivi: questi ultimi dipendono dal rumore di fondo RMS. Il rumore picco-picco è correlato statisticamente al valore RMS, pertanto è necessario valutare i convertitori in base al rumore all'interno della larghezza di banda effettiva dell'applicazione. Inoltre, fai attenzione: le condizioni della scheda tecnica (tensione di riferimento, intervallo di ingresso, larghezza di banda) potrebbero differire dalle condizioni del tuo prodotto; misurare la risoluzione effettiva nella configurazione reale, non solo su carta.
Strategie di misurazione a livello di sistema e metodi di compensazione degli errori
Nel dominio digitale è possibile applicare tabelle di filtraggio, media e calibrazione per ridurre gli errori residui. Il filtraggio scambia la larghezza di banda con un SNR migliore; la media rimuove il rumore casuale ma può macchiare le funzionalità del dominio del tempo. La calibrazione del software può correggere l'offset statico e la scala, ma non compensa completamente gli errori dinamici causati da variazioni di temperatura o stress meccanici. Un approccio combinato hardware e software è quindi il più robusto.
Conclusione
Aumentare la precisione è un compito a livello di sistema. Prestare attenzione ai riferimenti e alle forniture, al front-end dell'amplificatore, all'elemento sensibile e al suo imballo meccanico, e allo stadio A/D. Per il piccolo connettore con alloggiamento in metallo mostrato, prestare particolare attenzione ai percorsi meccanici e termici. Quando selezioni amplificatori e convertitori, fai del rumore e della gamma dinamica i tuoi criteri principali. Crea un budget di errore che quantifichi il contributo di ciascun sottosistema in modo da poter dare priorità ai miglioramenti laddove sono più importanti. Un mix di progettazione hardware a basso rumore e compensazione digitale mirata aumenterà notevolmente le prestazioni sul campo sensori di pressione ad alta precisione E sensori di pressione ad alta risoluzione - e durante l'utilizzo moduli sensore di pressione riempiti d'olio O nuclei riempiti di olio di silicio a diffusione, sono essenziali una visione sistemica integrata e un'attuazione attenta.
L'introduzione di cui sopra scalfisce solo la superficie delle applicazioni della tecnologia dei sensori di pressione. Continueremo a esplorare i diversi tipi di elementi sensore utilizzati nei vari prodotti, come funzionano e i loro vantaggi e svantaggi. Se desideri maggiori dettagli su ciò che viene discusso qui, puoi consultare il contenuto correlato più avanti in questa guida. Se hai poco tempo, puoi anche fare clic qui per scaricare i dettagli di queste guide Dati PDF del sensore del sensore di pressione dell'aria.
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