一般に、デジタル処理の前に、 圧力センサー などの特徴を説明することがよくあります。 ヒステリシス (圧力、温度)、 直線性、 温度係数、製品仕様のその他の特性パラメータ。ただし、デジタル処理後、圧力センサーまたはトランスミッターは通常、出力信号特性の詳細を説明するときにこれらのパラメーター指標を記述しなくなります。代わりに、全体的な測定精度パラメータが提供されます。この違いは、デジタル処理によってヒステリシスなどの特性が除去できるためではなく、デジタル処理後は、ヒステリシスなどの特定の特性がセンサー素子の測定信号によって引き起こされたのか、ファームウェアの処理自体によって引き起こされたのかを区別することが困難になるためです。したがって、一般に、次のような原因によって引き起こされる測定誤差を組み合わせる方が合理的です。 ヒステリシス、温度特性、および量子化プロセスが、製品の最終的な測定精度、誤差、および長期安定性の仕様に組み込まれます。
カタログ
センサーエラー
測定がある以上、誤差は避けられません。特定のアプリケーションでは、エラーが存在する場合でも、それはある意味で相対的なものです。誤差が許容範囲内である限り許容され、プロのユーザーは通常、次の原則に従います。 “十分性、次に好み” センサーを選択するとき。圧力センサーの用途では、次のような特性が懸念されますが、これらに限定されません。
- 圧力測定範囲：FSO-kPa（差圧/静圧、ゲージ圧/密閉ゲージ圧、絶対圧）
· 圧力測定エラー：±kPa
· 測定分解能: kPa/ビット
· 動作電圧/電流
· 保管温度および動作温度範囲、測定媒体
· 圧力応答特性、 再現性、 長期安定性
これらの圧力パラメーターの下には、圧力を電気信号に変換できるセンサーのコアまたはモジュールがあります。圧力の測定には複数の原理がありますが、すべての原理がすべての種類と範囲の圧力をカバーできるわけではありません。これらの原則には次のものが含まれます。
- ピエゾレス
- スパッタ薄膜
- シリコンレゾナント
- 容量性
- 渦電流
- フォースバランス、溶融石英ブルドン管
- ひずみゲージ …
以下は、以下に基づいた圧力センサーの簡単なエラー分析です。 ピエゾレス 原理。
形-1: から シリコンチップ に さまざまな包装用途 の ピエゾ抵抗圧力センサー
図-1 には、さまざまな分野で広く使用されているいくつかの代表的な形式がリストされています。 ピエゾ抵抗圧力センサー ベアダイから数種類のパッケージングまで。一部の製品タイプには外装パッケージのみがあります。対応する範囲内のアナログ信号出力を備えた製品もあり、温度補償され、互換性を考慮して校正されています。アナログ信号をさらに増幅するものもあります。などは出力前にデジタル処理を行います。デジタル校正後に、業界で広く適用されている対応するインターフェイス プロトコルを使用する圧力トランスミッタや、自動車、医療、その他の業界向けの温度センサーやガス センサーなどの他のセンサーを含む統合モジュールもあります。さらに、一部のデバイスは、測定対象の媒体の圧力特性を使用して他の物理量を決定します。たとえば、低圧に基づく流量センサーなどです。 差圧センサー 人工呼吸器に使用されます。
一般的に、デジタル処理の前に、 圧力センサー などの特徴を説明することがよくあります。 ヒステリシス (圧力、温度)、 直線性、 そして 温度係数 仕様セクションに記載されています。ただし、デジタル処理後、圧力センサーまたはトランスミッターは通常、出力信号の特性を詳細に説明するときにこれらの指標を記述せず、代わりに全体的な情報を提供します。 測定精度 パラメータ。この違いは、デジタル処理により次のような特性が除去されるためではありません。 ヒステリシスただし、デジタル処理後は、その特性（ヒステリシスなど）がセンサー素子の測定信号に起因するものなのか、ファームウェアの処理自体に起因するものなのかを区別することが困難になるためです。したがって、次のような原因による測定誤差が発生します。 ヒステリシス 温度特性と量子化誤差は、通常、最終製品仕様に組み込まれます。 測定精度、エラー、長期安定性。
デジタル コンディショニングでは、センサー ブリッジの対称性に対処することはほとんどありません。の影響を考えてみると、 オフセット のゼロ荷重点での分布 ピエゾ抵抗圧力センサー フロントエンド増幅回路のゲイン、およびゲイン変動による後続の ADC が有効信号 (FSO) 分解能に及ぼす影響には、包括的なアプローチが必要です。デジタル処理後、必要な場合を除き、 オフセット 指定されたゼロ点から計算されます。
ADC が処理に参加する前にアナログ補正とキャリブレーションを行うと、対称性 (0 点) が改善され、製品の互換性が大幅に向上します。 オフセット 出力が0Vに近づく）、 温度感受性、出力の一貫性。したがって、どちらの方法にもそれぞれの特徴があります。その後の圧力センサーの誤差解析では、デジタル処理後の圧力製品ではなく、抵抗ネットワークを使用した温度補償と校正を経た圧力製品のみが議論されます。
の特性に基づいて、 ピエゾ抵抗圧力センサー、エラー処理は一般に 2 つのタイプに分けられます。
- 補正可能なエラー (通常は温度の影響によって引き起こされ、再現性があります)
- 補正不可能なエラー (通常、圧力、温度、パッケージング応力によって引き起こされ、再現性がありません)
もちろん、誤差の補償可能な部分であっても、異なる補償方法によって達成できる誤差のキャンセルの程度は異なります。
形-2: 出力の比較 特徴 (緑) におけるピエゾ抵抗圧力センサーの 修理済み 温度 と 理想的な圧力センサー 出力 (青)
後続のエラー分析のために、図-2 に一般的な出力特性を示します。 ピエゾ抵抗圧力センサー。図で使用されている用語は次のとおりです。
- ゼロ: 理想的な基準ゼロ点
- オフセット：実際の無負荷出力偏差、つまり無負荷時の出力電圧
- FSO: Full Scale Output、フルスケール圧力からゼロ点までの出力信号の差
- BFSLNL: 最適直線に対する非直線性
センサーの特性とエラー解析
次に中圧40kPaについて詳しく見ていきます。 ピエゾ抵抗圧力センサー WFブランドから。梱包、校正後、 温度補償 316L ステンレス鋼圧力モジュールを使用した場合、パラメータは次のとおりです。
表内のデータ (例: ±1% FS など) は通常、「校正/補正後」に得られた最終精度です。ほとんどの再現性のある温度誤差、ゲイン誤差、ゼロ バイアスなどはすでに補正されています。真の「未校正」偏差には、初期ゼロ点、感度、パッケージ ストレスなどを含むさまざまなタイプのばらつきが考慮されることが多く、その合計は容易に ±10% FS を超える可能性があります。
本当の「未校正」偏差は、初期ゼロ、感度、パッケージ応力などを含むさまざまなタイプのばらつきを考慮することが多く、その合計は容易に ±10% FS を超える可能性があります。
したがって、多くのメーカーは、校正または補正された組み合わせ精度のみをリストしています (例: 1％FS、2％FS）彼らの「最終仕様」と記載されており、最終製品データシートには直接その量は示されていません。 ±% FS 誤差 ”オリジナルの』かもしれない。
エラーに影響を与える要因
典型的な誤差の影響には、参照が含まれます。 電圧エラー、 アンプのエラー、 センサーエラー、およびその効果 ノイズ 測定精度について。
(1) 基準電圧異常
基準電圧は実際の測定値と比較するために使用されます。したがって、この基準電圧の実際の値は非常に重要であり、この基本的な測定誤差を修正するには基準電圧の定期的な校正またはソフトウェア校正が必要です。 0°C ～ 25°C での温度係数が 100 ppm/°C の場合、最大 2500 ppm、つまりフルスケール範囲の 0.25% の誤差があります。
(2) アンプエラー
オペアンプは、位相のずれによるゼロドリフトやその他の理由により誤差を引き起こす可能性があります。測定精度に影響を与えるセンサー信号入力オペアンプ。圧力センサーなどの圧力センサーでは、たとえば 20mV のフルスケール信号には 5% のオフセット、つまり 1mV の入力バイアス電圧があります。 この入力バイアス誤差は測定精度を直接低下させる可能性がありますが、A/D コンバータのダイナミックレンジが十分であれば、ソフトウェアを使用してこの誤差を除去することが可能です。
(3) センサーエラー
センサーは加工により理想的な状態に到達することが難しく、誤差が生じる可能性があります。センサーの誤差を修正するのが難しい場合があります。 たとえば、圧力センサーの場合、たとえ製造プロセス中に線形に校正されたとしても、アプリケーション内の異なるデバイス間の出力スケールファクターの変動量は依然として大きいです。圧力センサーの基準電圧は通常、ホイストンブリッジを介した比例測定法を生成する励起によって生成され、これによりドリフト誤差がある程度除去されますが、ブリッジは互いに完全に対称ではないため、依然としてバイアス電圧が生成されます。 圧力センサーを例にとると、1 つの低圧力センサーのオフセット、そのバイアス誤差は主にブリッジの非対称によって引き起こされます。
(4) 騒音の影響
ノイズには、近くの高速デジタル論理回路、電源、ファン モーター、ソレノイド バルブ、RF EMI からの結合ノイズなど、さまざまな発生源があります。 Noise can be reduced by proper grounding design, shielding methods and board layout. In addition, operational amplifiers can be selected that minimize introduced noise and have sufficient gain bandwidth.オペアンプは、無制限の帯域幅 (広帯域幅) または定義された帯域幅にわたる信号の測定から決定される、導入されたノイズの量に基づいて評価できます。
A/Dコンバータ
A/Dコンバータを使用する場合、バックグラウンドノイズが利用可能な測定精度の決定要因となります。。デバイスが 24 ビット解像度に対応している場合、コンバータによって達成される実際の精度は、ノイズによる制限のため、通常は低くなります。ここでは、有効ビットと非常に低いノイズ値を区別する必要があります。有効ビットの仕様はノイズ レベル RMS 値から計算され、非常に低いノイズ値はピークツーピーク値に基づきます。これは通常、統計的な RMS 値の 6.6 倍に相当します。したがって、非常に低いノイズ仕様はコンバータの実効分解能を示し、バックグラウンド ノイズよりも LSB ビット上で安定しています。基準電圧や入力範囲などの仕様の制限にも特別な注意を払う必要があり、これらはアプリケーションごとに異なる可能性があり、データシートの約束は実際の比率と大幅に異なる場合があります。
オペアンプ
アンプが低ノイズと高ゲインを同時に実現することは困難です。したがって、アンプのノイズ レベルをその誤差と同じ範囲に収める必要があります。すべての半導体アンプには、フリッカー ノイズとも呼ばれる 1/f ノイズが存在します。これは、材料に起因する基本的な現象です。周波数とは対照的に、特定のノイズ変曲点より下では、ノイズ密度が指数関数的に増加し、低周波数では非常に大きくなります。この低ノイズと高ゲイン特性の組み合わせを単一チップで低コストで実現できるアンプはほとんどありません。
低ノイズと高ゲインを実現するには、高入力インピーダンスの入力アンプ、入力誤差補正回路、および目的のゲインを達成するための 2 番目 (または 3 番目) の補償アンプを組み合わせて使用するハイブリッド マルチアンプ回路を設計できます。 Amplifiers that concentrate on one parameter often present serious problems in other areas.
最終的な考え
このため、実際のアプリケーションでは、 未校正のベアダイ または 簡易包装 ピエゾ抵抗圧力センサーを使用し、回路設計と温度補償を自分たちで処理すると、次のような問題に直面する可能性があります。 大幅な初期オフセット。ただし、 デジタル補正/校正済み 補償機能を内蔵した圧力センサーまたはトランスミッターにより、 全体的な誤差が小さくなる (±1%FSなど)はデータシートに記載されています。
上記の紹介は、圧力センサー技術のアプリケーションの表面をなぞっただけです。私たちは、さまざまな製品で使用されているさまざまなタイプのセンサー素子、それらがどのように機能するか、そしてそれらの長所と短所を引き続き調査していきます。ここで説明する内容についてさらに詳しく知りたい場合は、このガイドの後半にある関連コンテンツをご覧ください。時間がない場合は、ここをクリックしてこのガイドの詳細をダウンロードすることもできます。 空気圧センサー製品PDFデータ。
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