- 導入: 多くの圧力センサーを使用しています, そして、私たちはしばしば、使用期間後に圧力センサーが漂うことがわかります. 圧力センサーがドリフトする原因? 設計中に圧力センサードリフトを排除するにはどうすればよいですか?
センサードリフトの原因
センサードリフトとは、センサーの出力値が時間とともに変化するという現象を指します. このドリフトは、センサーの測定の結果が不正確になる可能性があります, 実際のアプリケーションにおける信頼性と安定性に影響を与える. センサードリフトには多くの理由があります, 以下で1つずつ導入されます.
- 温度変化: 温度変化は、センサードリフトの一般的な原因の1つです. 温度の変化は、センサー要素内の材料の膨張と収縮を引き起こす可能性があります, これは、センサーの機械的構造と電気特性に影響を与えます, 出力値がドリフトします. 例えば, 温度を上げると、抵抗センサーの抵抗値が増加します, その結果、出力値が高くなります.
- 電源の変更: センサーの出力値は、供給電圧の影響を受けます. 供給電圧が変化したとき, センサーの出力値も変更されます. これは、供給電圧の変化がセンサーの内部回路の動作状態を変化させるためです, これは、出力信号の振幅と安定性に影響を与えます.
- 長期使用: 長期使用は、センサードリフトの重要な原因でもあります. 使用中, センサーは機械式の影響を受ける可能性があります, 化学的または熱膨張および収縮因子, 内部構造の変化を引き起こします, これにより、出力値がドリフトします. 加えて, センサーは、振動や衝撃などの外部環境要因の影響を受ける可能性があります, ドリフト現象をさらに悪化させます.
- センサーの老化: 時間とともに, センサーの性能が徐々に低下し、ドリフトが発生する可能性があります. これは、センサー内の材料とコンポーネントが使用時間の増加とともに老化するためです, 物理的特性が変化します. 例えば, センサー内の電解質は徐々に排出されます, その感度と安定性を低下させます, これにより、出力値がドリフトします.
- 環境の影響: センサーのドリフトは、環境要因の影響を受ける可能性があります. 例えば, 気圧などの環境要因の変化, 湿度, そして、光はセンサー出力値をドリフトさせる可能性があります. これは、環境要因の変化が測定されるセンサーとオブジェクト間の相互作用を変えるためです, これにより、センサーの測定精度と安定性に影響します.
圧力センサーの開発の初期に, ガラスパウダーを使用して、拡散したシリコンチップと金属ベースを密封しました. 欠点は、圧力チップの周りに大きなストレスがあったことでした, アニーリングの後でも, ストレスを完全に排除することはできませんでした. 温度が変化するとき, 金属の熱膨張係数が異なるため, ガラスと拡散したシリコンチップ, 熱応力が生成されます, センサーのゼロポイントをドリフトさせます. これが、センサーのゼロポイントサーマルドリフトがチップのゼロポイントサーマルドリフトよりもはるかに大きい理由です. シルバーペーストと端子溶接が適切に処理されていない場合, 不安定な接触抵抗を引き起こすのは簡単です. 特に温度が変化する場合, 接触抵抗は変化する可能性が高くなります. これらの要因は、センサーの大きなゼロポイントドリフトと温度ドリフトの理由です.
ゼロポイントサーマルドリフトの原因の半導体理論分析: 抵抗器のドーピング濃度と抵抗値が一貫している場合にのみ、ブリッジのゼロポイント出力電圧は小さくなり、ゼロポイントサーマルドリフトも小さくなります, センサーのパフォーマンスを改善するのに非常に有益です. しかし, 拡散中に均一なドーピング分布を実現するのは簡単ではありません, したがって、バリスタストリップはできるだけ近く、できるだけ短くする必要があります.
ゼロポイントサーマルドリフトの原因の回路分析: 理想的には, ホイートストーンブリッジを構成する4つの拡散抵抗の抵抗値は等しくなければなりません. ゼロポイント温度ドリフトは、温度の拡散抵抗値の変化によって引き起こされます. 特定の温度範囲内, 抵抗値は、温度の上昇とともに増加します, つまり, 拡散抵抗器の温度係数Rは正です.
センサードリフトの問題のソリューション
全体, 圧力センサーのゼロドリフト補償は、2つの方向に分割できます: ハードウェア補償とソフトウェア補償.
ハードウェアゼロ補償法:
ブリッジアーム上の直列と平行した適切な定数抵抗法: ブリッジアームサーミスタ補償法, ブリッジ外部シリーズと並列サーミスタ補償法, デュアルブリッジ補償技術, トランジスタ補償技術, 等.回路設計を最適化します: 合理的な回路設計は、センサードリフトの影響を減らすことができます. 例えば, 温度補償回路の使用は、センサーの出力値に対する温度変化の影響を修正し、測定の精度と安定性を改善することができます. 加えて, フィルタリングや増幅などの回路設計方法を使用して、センサーに対する電源の変化と環境干渉の影響を排除することもできます。.
ソフトウェア補償ゼロドリフト方法: 信号獲得プロセス, トリガー信号が発生しない時から、買収がトリガーされ、買収が完了した後に, 入力信号はゼロで、出力信号はゼロではありません. この収集された出力データは、ランダムノイズの形で存在します, これは、データの計算と処理では無意味です. この期間中に収集された信号値をゼロドリフトとして定義します.
採用されているソフトウェア方法は次のとおりです:
多項式フィッティング仕様方法. 実際の測定以来, 温度, 圧力センサーによって測定される圧力およびその他の物理量は、出力値と厳密な線形関係を持たない, 機能的関係はしばしば多項式の形です. 多項式を使用して、非線形信号を適合させることができます, そして重要なのは、係数を解決することです.
RBFニューラルネットワーク法. 基本原則: 通常、ゼロポイント温度補償ソフトウェアアルゴリズムの式方法は比較的複雑です, そして、フィッティングの精度はしばしば限られています. 人工ニューラルネットワーク法には、少数のサンプルの利点があります, 単純なアルゴリズム, 任意の関数を近似する能力, そして、適切なアプリケーションの見通し.
加えて, ソフトウェア方法には、テーブルルックアップ方法も含まれています, 補間法, 等.
ドリフトの影響を減らすため, 以下の測定値をとることができます:
- 温度を安定させます: 温度変動の影響を避けるために、センサーをできるだけ一定の温度状態に保ちます.
- 温度補償措置を使用します: センサー内に温度センサーを追加して、温度変化を検知することにより補正補償を実行する.
- 適切な基質結合法を選択します: 適切な基質結合方法は、機械的ストレスの影響を減らすことができます.
- 独立したアンプを選択します: 独立したアンプを使用して、信号を増幅します, これは他の外部要因の影響を受けず、ドリフトの問題を減らすことができます.
- 自動キャリブレーションテクノロジーを使用します: 自動キャリブレーションを通じて, センサーは、異なる温度で安定した出力を維持できます, 湿度やその他の環境.
- 高精度センサーを選択します: 高精度センサーのドリフトは小さいです, 影響を減らすことができます.
- ドリフトデータを処理します: 一定期間にわたってデータを収集し、ドリフトデータを平均することにより, 測定結果に対するドリフトの影響を減らすことができます.
