Introduzione: Usiamo molti sensori di pressione, e spesso scopriamo che i sensori di pressione si spostano dopo un periodo di utilizzo. Cosa fa andare alla deriva il sensore di pressione? Come possiamo eliminare la deriva del sensore di pressione durante il design?
Cause di deriva del sensore
La deriva del sensore si riferisce al fenomeno che il valore di uscita del sensore cambia nel tempo. Questa deriva può causare risultati di misurazione del sensore inaccurati, influenzandone l’affidabilità e la stabilità nelle applicazioni pratiche. Ci sono molte ragioni per la deriva del sensore, che verrà introdotto uno per uno sotto.
Cambiamento di temperatura: Il cambiamento di temperatura è una delle cause comuni della deriva del sensore. Le variazioni di temperatura possono causare l'espansione e la contrazione del materiale all'interno dell'elemento del sensore, che a sua volta influenza la struttura meccanica e le caratteristiche elettriche del sensore, causando la deriva del valore di output. Per esempio, Un aumento della temperatura aumenterà il valore di resistenza di un sensore di resistenza, con conseguente valore di output più elevato.
Cambiamenti di alimentazione: Il valore di uscita del sensore è influenzato dalla tensione di alimentazione. Quando la tensione di alimentazione cambia, Il valore di output del sensore cambierà anche. Questo perché i cambiamenti nella tensione di alimentazione causano il cambiamento dello stato di lavoro del circuito interno del sensore, che a sua volta influenza l'ampiezza e la stabilità del segnale di uscita.
Uso a lungo termine: L'uso a lungo termine è anche una causa importante della deriva del sensore. Durante l'uso, Il sensore può essere influenzato dalla meccanica, Espansione chimica o termica e fattori di contrazione, causando cambiamenti nella sua struttura interna, che a sua volta provoca la deriva del valore di output. Inoltre, Il sensore può anche essere influenzato da fattori ambientali esterni come vibrazioni e impatto, esacerbare ulteriormente il fenomeno della deriva.
Invecchiamento del sensore: Col tempo, Le prestazioni del sensore possono gradualmente diminuire e può verificarsi una deriva. Questo perché i materiali e i componenti all'interno del sensore invecchiano con l'aumento del tempo, causando il cambiamento delle sue proprietà fisiche. Per esempio, L'elettrolita all'interno del sensore si scaricerà gradualmente, causando la diminuzione della sua sensibilità e stabilità, che a sua volta provoca la deriva del valore di output.
Influenza ambientale: La deriva del sensore può anche essere influenzata da fattori ambientali. Per esempio, Cambiamenti nei fattori ambientali come la pressione dell'aria, umidità, e la luce può causare alla deriva il valore di uscita del sensore. Questo perché i cambiamenti nei fattori ambientali cambieranno l'interazione tra il sensore e l'oggetto da misurare, influenzando così l'accuratezza della misurazione e la stabilità del sensore.
All'inizio dello sviluppo di sensori di pressione, La polvere di vetro è stata utilizzata per sigillare il chip di silicio diffuso e la base in metallo. Lo svantaggio era che c'era un grande stress attorno al chip di pressione, E anche dopo la ricottura, Lo stress non potrebbe essere completamente eliminato. Quando la temperatura cambia, A causa dei diversi coefficienti di espansione termica del metallo, Scate di silicio in vetro e diffuso, Verrà generato stress termico, causando alla deriva il punto zero del sensore. Ecco perché la deriva termica del punto zero del sensore è molto più grande della deriva termica del punto zero del chip. Se la pasta d'argento e la saldatura del terminale non vengono gestite correttamente, È facile causare resistenza di contatto instabile. Soprattutto quando la temperatura cambia, La resistenza a contatto ha maggiori probabilità di cambiare. Questi fattori sono le ragioni della deriva e della deriva della temperatura di grandi dimensioni del sensore.
Analisi della teoria dei semiconduttori della causa della deriva termica a punto zero: Solo quando la concentrazione di doping e il valore di resistenza del resistore sono coerenti, la tensione di uscita a punto zero del ponte è piccola e la deriva termica a punto zero è anche piccola, che è molto utile per migliorare le prestazioni del sensore. Tuttavia, Non è facile ottenere una distribuzione del doping uniforme durante la diffusione, Quindi le strisce di varistore devono essere il più vicine possibile e il più breve possibile.
Analisi del circuito della causa della deriva termica del punto zero: Idealmente, I valori di resistenza dei quattro resistori diffusi che compongono il ponte di Wheatstone dovrebbero essere uguali. La deriva della temperatura del punto zero è causata dalla variazione del valore della resistenza diffusa con la temperatura. Entro un certo intervallo di temperatura, Il valore di resistenza aumenta con l'aumento della temperatura, questo è, Il coefficiente di temperatura R della resistenza diffusa è positivo.
Soluzioni ai problemi di deriva del sensore
Complessivamente, La compensazione della deriva zero dei sensori di pressione può essere divisa in due direzioni: compensazione hardware e compensazione del software.
Metodo di compensazione zero hardware: Metodo di resistenza costante appropriato in serie e parallelo sul braccio del ponte: Metodo di compensazione del termistore del braccio di ponte, Serie esterne del ponte e metodo di compensazione parallela del termistore, tecnologia di compensazione a doppio ponte, Tecnologia di compensazione transistor, ecc.
Ottimizza il design del circuito: La progettazione di circuiti ragionevoli può ridurre l'impatto della deriva del sensore. Per esempio, L'uso del circuito di compensazione della temperatura può correggere l'impatto delle variazioni di temperatura sui valori di uscita del sensore e migliorare l'accuratezza e la stabilità della misurazione. Inoltre, I metodi di progettazione del circuito come il filtraggio e l'amplificazione possono anche essere utilizzati per eliminare l'impatto dei cambiamenti dell'alimentazione e l'interferenza ambientale sui sensori.
Metodo di deriva zero compensazione del software: Nel processo di acquisizione del segnale, Dal momento in cui il segnale del trigger non si verifica al momento in cui viene attivata l'acquisizione e dopo il completamento dell'acquisizione, Il segnale di ingresso è zero e il segnale di uscita non è zero. Questi dati di output raccolti esistono sotto forma di rumore casuale, che non ha senso per il calcolo e l'elaborazione dei dati. Definiamo il valore del segnale raccolto durante questo periodo come deriva zero.
I metodi del software adottati sono:
Metodo delle specifiche di adattamento polinomiale. Dal momento che nella misurazione effettiva, la temperatura, La pressione e altre quantità fisiche misurate dal sensore di pressione non avranno una rigorosa relazione lineare con il valore di uscita, La relazione funzionale è spesso sotto forma di un polinomio. I polinomi possono essere utilizzati per adattarsi ai segnali non lineari, e la chiave è risolvere i loro coefficienti.
Metodo della rete neurale RBF. Principio di base: Di solito il metodo formula nell'algoritmo del software di compensazione della temperatura a punto zero è relativamente complesso, e l'accuratezza del montaggio è spesso limitata. Il metodo della rete neurale artificiale presenta i vantaggi di un piccolo numero di campioni, Un semplice algoritmo, la capacità di approssimare le funzioni arbitrarie, e buone prospettive di applicazione.
Inoltre, Il metodo del software include anche il metodo di ricerca della tabella, Metodo di interpolazione, ecc.
Per ridurre l'impatto della deriva, È possibile adottare le seguenti misure:
Stabilizzare la temperatura: Mantenere il sensore in uno stato di temperatura costante il più possibile per evitare l'impatto delle fluttuazioni della temperatura.
Utilizzare misure di compensazione della temperatura: Aggiungi un sensore di temperatura all'interno del sensore per eseguire la compensazione della correzione rilevando le variazioni di temperatura.
Scegli un metodo di legame del substrato adatto: Un metodo di legame del substrato adeguato può ridurre l'impatto della sollecitazione meccanica.
Scegli un amplificatore indipendente: Utilizzare un amplificatore indipendente per amplificare il segnale, che non è influenzato da altri fattori esterni e può ridurre i problemi di deriva.
Usa la tecnologia di calibrazione automatica: Attraverso la calibrazione automatica, Il sensore può mantenere un'uscita stabile a temperatura diversa, umidità e altri ambienti.
Scegli un sensore ad alta precisione: La deriva di un sensore ad alta precisione è piccola, che può ridurre l'impatto.
Elabora i dati sulla deriva: Raccogliendo i dati per un periodo di tempo e con una media dei dati di deriva, L'impatto della deriva sui risultati della misurazione può essere ridotto.
