Introduzione: utilizziamo molti sensori di pressione e spesso riscontriamo che i sensori di pressione si spostano dopo un periodo di utilizzo. Cosa causa la deriva del sensore di pressione? Come possiamo eliminare la deriva del sensore di pressione durante la progettazione?
Cause di deriva del sensore
La deriva del sensore si riferisce al fenomeno secondo cui il valore di uscita del sensore cambia nel tempo. Questa deriva può causare risultati di misurazione del sensore imprecisi, influenzandone l'affidabilità e la stabilità nelle applicazioni pratiche. Esistono molte ragioni per la deriva del sensore, che verranno introdotte una per una di seguito.
Variazione di temperatura: la variazione di temperatura è una delle cause più comuni di deriva del sensore. I cambiamenti di temperatura possono causare l'espansione e la contrazione del materiale all'interno dell'elemento del sensore, che a sua volta influisce sulla struttura meccanica e sulle caratteristiche elettriche del sensore, causando una deriva del valore di uscita. Ad esempio, un aumento della temperatura aumenterà il valore di resistenza di un sensore resistore, determinando un valore di uscita più elevato.
Modifiche all'alimentazione: il valore di uscita del sensore è influenzato dalla tensione di alimentazione. Quando la tensione di alimentazione cambia, cambierà anche il valore di uscita del sensore. Questo perché i cambiamenti nella tensione di alimentazione causeranno un cambiamento dello stato di funzionamento del circuito interno del sensore, che a sua volta influenzerà l'ampiezza e la stabilità del segnale di uscita.
Uso a lungo termine: anche l'uso a lungo termine è un'importante causa di deriva del sensore. Durante l'uso, il sensore può essere influenzato da fattori di espansione e contrazione meccanici, chimici o termici, causando cambiamenti nella sua struttura interna, che a loro volta causano una deriva del valore di uscita. Inoltre, il sensore potrebbe essere influenzato anche da fattori ambientali esterni quali vibrazioni e urti, esacerbando ulteriormente il fenomeno della deriva.
Invecchiamento del sensore: nel corso del tempo, le prestazioni del sensore potrebbero diminuire gradualmente e potrebbe verificarsi una deriva. Questo perché i materiali e i componenti all'interno del sensore invecchieranno con l'aumento del tempo di utilizzo, provocando il cambiamento delle sue proprietà fisiche. Ad esempio, l'elettrolita all'interno del sensore verrà gradualmente drenato, provocando una diminuzione della sensibilità e della stabilità, che a sua volta provocherà una deriva del valore di uscita.
Influenza ambientale: La deriva del sensore può essere influenzata anche da fattori ambientali. Ad esempio, i cambiamenti nei fattori ambientali come la pressione dell'aria, l'umidità e la luce possono causare una deriva del valore di uscita del sensore. Questo perché i cambiamenti nei fattori ambientali modificheranno l'interazione tra il sensore e l'oggetto da misurare, influenzando così l'accuratezza della misurazione e la stabilità del sensore.
Agli albori dello sviluppo dei sensori di pressione, per sigillare il chip di silicio diffuso e la base metallica veniva utilizzata polvere di vetro. Lo svantaggio era che attorno al chip a pressione si formava una forte tensione che non poteva essere completamente eliminata anche dopo la ricottura. Quando la temperatura cambia, a causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica del metallo, del vetro e dei chip di silicio diffuso, si genererà uno stress termico, causando la deriva del punto zero del sensore. Questo è il motivo per cui la deriva termica del punto zero del sensore è molto maggiore della deriva termica del punto zero del chip. Se la pasta d'argento e la saldatura dei terminali non vengono gestite correttamente, è facile causare una resistenza di contatto instabile. Soprattutto quando la temperatura cambia, è più probabile che la resistenza di contatto cambi. Questi fattori sono le ragioni della grande deriva del punto zero e della temperatura del sensore.
Analisi della teoria dei semiconduttori della causa della deriva termica del punto zero: solo quando la concentrazione di drogaggio e il valore di resistenza del resistore sono coerenti, la tensione di uscita del punto zero del ponte può essere piccola e anche la deriva termica del punto zero è piccola, il che è molto vantaggioso per migliorare le prestazioni del sensore. Tuttavia, non è facile ottenere una distribuzione uniforme del drogante durante la diffusione, quindi le strisce di varistore devono essere il più vicine possibile e il più corte possibile.
Analisi circuitale 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 del resistore diffuso con la temperatura. Entro un certo intervallo di temperatura, il valore della resistenza aumenta con l'aumento della temperatura, cioè il coefficiente di temperatura R del resistore diffuso è positivo.
Soluzioni ai problemi di deriva del sensore
Nel complesso, la compensazione della deriva zero dei sensori di pressione può essere divisa in due direzioni: compensazione hardware e compensazione 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 del ponte, metodo di compensazione del termistore in serie esterna e parallelo del ponte, tecnologia di compensazione del doppio ponte, tecnologia di compensazione del transistor, ecc.
Ottimizza la progettazione del circuito: Una progettazione ragionevole del circuito può ridurre l'impatto della deriva del sensore. Ad 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 la precisione e la stabilità della misurazione. Inoltre, è possibile utilizzare metodi di progettazione dei circuiti come il filtraggio e l'amplificazione per eliminare l'impatto delle modifiche dell'alimentazione e delle interferenze ambientali sui sensori.
Metodo della deriva dello zero con compensazione software: Nel processo di acquisizione del segnale, dal momento in cui il segnale di trigger non si verifica al momento in cui viene attivata l'acquisizione e dopo che l'acquisizione è stata completata, 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 alcun significato per il calcolo e l'elaborazione dei dati. Definiamo il valore del segnale raccolto durante questo periodo come deriva dello zero.
Le modalità software adottate sono:
Metodo di specificazione dell'adattamento polinomiale. Poiché nella misurazione effettiva, la temperatura, la pressione e altre grandezze fisiche misurate dal sensore di pressione non hanno una relazione strettamente lineare con il valore di uscita, la relazione funzionale è spesso sotto forma di polinomio. I polinomi possono essere utilizzati per adattare segnali non lineari e la chiave è risolverne i coefficienti.
Metodo della rete neurale RBF. Principio fondamentale: Di solito il metodo della formula nell'algoritmo del software di compensazione della temperatura del punto zero è relativamente complesso e la precisione di adattamento è spesso limitata. Il metodo della rete neurale artificiale presenta i vantaggi di un numero limitato di campioni, un algoritmo semplice, la capacità di approssimare funzioni arbitrarie e buone prospettive di applicazione.
Inoltre, il metodo software include anche il metodo di ricerca nella tabella, il metodo di interpolazione, ecc.
Per ridurre l’impatto della deriva è possibile adottare le seguenti misure:
Stabilizzare la temperatura: mantenere il sensore il più possibile in uno stato di temperatura costante per evitare l'impatto delle fluttuazioni di temperatura.
Utilizzare misure di compensazione della temperatura: aggiungere un sensore di temperatura all'interno del sensore per eseguire la compensazione della correzione rilevando le variazioni di temperatura.
Scegliere un metodo di incollaggio del substrato adatto: un metodo di incollaggio del substrato adatto può ridurre l'impatto dello stress meccanico.
Scegli un amplificatore indipendente: utilizza un amplificatore indipendente per amplificare il segnale, che non è influenzato da altri fattori esterni e può ridurre i problemi di deriva.
Utilizza la tecnologia di calibrazione automatica: attraverso la calibrazione automatica, il sensore può mantenere un'uscita stabile in diverse temperature, umidità e altri ambienti.
Scegli un sensore ad alta precisione: la deriva di un sensore ad alta precisione è piccola, il che può ridurre l'impatto.
Elaborazione dei dati di deriva: raccogliendo i dati in un periodo di tempo e calcolando la media dei dati di deriva, è possibile ridurre l'impatto della deriva sui risultati della misurazione.
