일반적으로 디지털 처리 이전에는 압력 센서 종종 다음과 같은 기능을 설명합니다. 히스테리시스 (압력, 온도), 선형성, 온도 계수, 제품 사양의 기타 특성 매개변수. 그러나 디지털 처리 후 압력 센서 또는 트랜스미터는 일반적으로 출력 신호 특성을 자세히 설명할 때 이러한 매개변수 표시기를 더 이상 설명하지 않습니다. 대신 전반적인 측정 정확도 매개변수를 제공합니다. 이러한 차이는 디지털 처리가 히스테리시스와 같은 특성을 제거할 수 있기 때문이 아니라 디지털 처리 후에는 히스테리시스와 같은 특정 특성이 센서 요소의 측정 신호에 의해 발생하는지 아니면 펌웨어 처리 자체에 의해 발생하는지 구별하기 어려워지기 때문입니다. 따라서 일반적으로 다음으로 인한 측정 오류를 결합하는 것이 더 합리적입니다. 히스테리시스, 온도 특성, 양자화 과정을 거쳐 제품의 최종 측정 정확도, 오차, 장기 안정성 사양이 됩니다.
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센서 오류
측정이 있는 한 필연적으로 오류가 발생합니다. 특정 애플리케이션의 경우 오류가 존재하더라도 어떤 의미에서는 상대적입니다. 오류가 허용 가능한 범위 내에 있는 한 허용될 수 있으며 전문 사용자는 일반적으로 다음의 원칙을 따릅니다. “충분함 다음으로 선호” 센서를 선택할 때 압력 센서 응용 분야에서 우려되는 특성에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않습니다.
- 압력 측정 범위: FSO-kPa(차압/정압, 게이지압/밀폐 게이지압, 절대압)
· 압력 측정 오류: ±kPa
· 측정 분해능: kPa/비트
· 작동 전압/전류
· 보관 및 작동 온도 범위, 측정 매체
· 압력 응답 특성, 반복성, 장기 안정성
이러한 압력 매개변수 아래에는 압력을 전기 신호로 변환할 수 있는 센서의 코어 또는 모듈이 있습니다. 압력 측정에는 여러 가지 원칙이 있지만 모든 원칙이 모든 유형과 압력 범위를 포괄할 수 있는 것은 아닙니다. 이러한 원칙에는 다음이 포함됩니다.
- 압전성
- 스퍼터링된 박막
- 실리콘 공진
- 용량 성
- 와전류
- 포스 밸런스, 용융 석영 부르동관
- 스트레인 게이지 …
다음은 압력 센서에 대한 간략한 오류 분석입니다. 압전성 원칙.
수치-1: 에서 실리콘 칩 에게 다양한 포장 응용 ~의 압저항 압력 센서
그림-1에는 다양한 분야에서 널리 사용되는 몇 가지 대표적인 형태가 나열되어 있다. 압저항 압력 센서 베어 다이부터 여러 유형의 포장까지. 일부 제품 유형에는 외부 포장만 있습니다. 일부는 해당 범위 내에서 온도가 보상되고 호환성을 위해 교정된 아날로그 신호 출력을 갖습니다. 일부는 아날로그 신호를 추가로 증폭합니다. 다른 것들은 출력하기 전에 디지털 처리를 수행합니다. 또한 디지털 교정 후 업계에서 널리 적용되는 해당 인터페이스 프로토콜을 사용하는 압력 트랜스미터뿐만 아니라 자동차, 의료 및 기타 산업을 위한 온도 또는 가스 센서와 같은 다른 센서를 포함하는 통합 모듈도 있습니다. 또한 일부 장치는 측정되는 매체의 압력 특성을 사용하여 다른 물리량을 결정합니다. 예를 들어 낮은 전류를 기반으로 하는 유량 센서 차압 센서 환풍기에 사용됩니다.
일반적으로 디지털 처리 이전에는 압력 센서 종종 다음과 같은 기능을 설명합니다. 히스테리시스 (압력, 온도), 선형성, 그리고 온도 계수 사양 섹션에서. 그러나 디지털 처리 후 압력 센서 또는 트랜스미터는 일반적으로 출력 신호 특성을 자세히 설명할 때 이러한 표시기를 설명하지 않고 대신 전반적인 정보를 제공합니다. 측정 정확도 매개변수. 이러한 차이는 디지털 처리가 다음과 같은 특성을 제거할 수 있기 때문이 아닙니다. 히스테리시스, 그러나 디지털 처리 후에는 특성(예: 히스테리시스)이 센서 요소의 측정 신호에 의해 발생하는지 아니면 펌웨어 처리 자체에 의해 발생하는지 구별하기가 어렵기 때문입니다. 따라서 측정 오류로 인해 발생하는 히스테리시스 온도 특성은 양자화 오류와 함께 일반적으로 최종 제품 사양에 결합됩니다. 측정 정확도, 오류 및 장기 안정성.
디지털 컨디셔닝은 센서 브리지의 대칭성을 거의 다루지 않는 경우가 많습니다. 의 효과를 고려한다면 오프셋 무부하점에서의 분포 압저항 압력 센서 프런트엔드 증폭 회로의 이득뿐만 아니라 이득 변동으로 인한 유효 신호(FSO) 분해능에 대한 후속 ADC의 영향에 대해서도 포괄적인 접근 방식이 필요합니다. 디지털 처리 후, 필요한 경우를 제외하고 오프셋 지정된 영점에서 계산됩니다.
ADC가 처리에 참여하기 전에 아날로그 보상 및 교정을 통해 대칭성(0점)을 개선하여 제품 호환성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 오프셋 출력이 0V에 가까워짐), 온도 민감도및 출력 일관성. 따라서 두 방법 모두 특징이 있습니다. 이후 압력 센서의 오류 분석에서는 디지털 처리 후의 제품이 아닌 저항 네트워크를 사용하여 온도 보상 및 교정을 거친 압력 제품만 논의합니다.
의 특성을 바탕으로 압저항 압력 센서, 오류 처리는 일반적으로 두 가지 유형으로 나뉩니다.
- 보상 가능한 오류 (일반적으로 온도 영향으로 인해 발생하며 반복 가능)
- 보상 불가능한 오류 (일반적으로 압력, 온도, 포장 응력으로 인해 발생하며 반복되지 않습니다.)
물론, 보상 가능한 오류 부분에 대해서도 보상 방법에 따라 오류 취소 정도가 달라질 수 있습니다.
수치-2: 출력 비교 형질 (녹색) 압저항 압력 센서의 결정된 온도 ~와 함께 이상적인 압력 센서 산출 (파란색)
후속 오류 분석을 위해 그림 2는 일반적인 출력 특성을 보여줍니다. 압저항 압력 센서. 그림에 사용된 용어는 다음과 같습니다.
- 영: 이상적인 기준 영점
- 오프셋: 실제 무부하 출력 편차, 즉 무부하가 인가되었을 때의 출력 전압
- FSO: Full Scale Output, 풀 스케일 압력에서 영점까지 출력 신호의 차이
- BFSLNL: 최적합 직선에 대한 비선형성
센서 특성 및 오류 분석
다음으로 중압 40kPa에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 압저항 압력 센서 WF 브랜드에서. 포장, 교정 및 온도 보상 316L 스테인리스강 압력 모듈을 사용하는 경우 매개변수는 다음과 같습니다.
표의 데이터(예: ±1% FS 등)는 일반적으로 "교정/보상 후" 얻은 최종 정확도입니다.이는 대부분의 반복 가능한 온도 오류, 게인 오류, 제로 바이어스 등을 이미 수정했습니다. 실제 "보정되지 않은" 편차는 초기 영점, 감도, 패키지 스트레스 등을 포함한 다양한 유형의 분산을 고려하는 경우가 많으며 이는 최대 ±10% FS 이상까지 쉽게 추가될 수 있습니다.
진정한 “교정되지 않은편차는 초기 영점, 감도, 패키지 응력 등 다양한 유형의 산란을 고려하는 경우가 많으며 이는 최대 ±10% FS 이상까지 쉽게 추가될 수 있습니다.
따라서 많은 제조업체에서는 교정 또는 보상된 결합 정확도만 나열합니다(예: 1%FS, 2%FS) 그들의 “최종 사양"라고 최종 제품 데이터 시트에 직접 표시하지 않습니다. ±% FS 오류 “원본” 그럴 수도 있습니다.
오류 영향 요인
일반적인 오류 영향에는 참조가 포함됩니다. 전압 오류, 증폭기 오류, 센서 오류, 및 소음 측정 정확도에 대해
(1) 기준 전압 오류
기준 전압은 실제 측정 값과 비교하는 데 사용됩니다., 따라서 이 기준 전압의 실제 값은 매우 중요하며, 이 기본 측정 오류를 수정하려면 기준 전압의 주기적인 교정이나 소프트웨어 교정이 필요합니다. 0°C ~ 25°C에서 100ppm/°C의 온도 계수는 최대 2500ppm 또는 전체 범위의 0.25%의 오류를 갖습니다.
(2) 증폭기 오류
연산 증폭기는 위상차 제로 드리프트 및 기타 이유로 인해 오류를 유발할 수 있습니다. 측정 정확도에 영향을 미치는 센서 신호 입력 연산 증폭기. 압력 센서, 압력 센서와 같은 20mV 풀 스케일 신호는 5% 오프셋, 즉 1mV 입력 바이어스 전압을 갖습니다. 이 입력 바이어스 오류는 측정 정확도를 직접적으로 감소시킬 수 있으며, 소프트웨어를 사용하여 이 오류를 제거하는 A/D 변환기의 충분한 동적 범위가 가능합니다.
(3) 센서 오류
센서는 처리로 인해 이상적인 상태에 도달할 가능성이 낮으며 오류가 발생할 수 있습니다. 센서 오류를 수정하는 것이 어려울 수 있습니다. 예를 들어, 압력 센서의 경우 제조 과정에서 선형적으로 교정되더라도 애플리케이션의 여러 장치 간 출력 배율 계수의 변동폭은 여전히 높습니다. 압력 센서의 기준 전압은 일반적으로 여기에 의해 생성되며 Whiston 브리지를 통해 비례 측정 방법을 생성하여 드리프트 오류를 어느 정도 제거하지만 브리지가 서로 완전히 대칭이 될 수 없기 때문에 여전히 바이어스 전압이 생성됩니다. 압력 센서를 예로 들면, 저압 센서 1개의 오프셋, 바이어스 오류는 브리지 비대칭으로 인해 크게 발생합니다.
(4) 소음 효과
소음의 원인은 근처의 고속 디지털 논리 회로, 전원 공급 장치, 팬 모터, 솔레노이드 밸브 및 RF EMI에서 발생하는 결합 소음을 포함하여 다양합니다. 적절한 접지 설계, 차폐 방법 및 보드 레이아웃을 통해 노이즈를 줄일 수 있습니다. 또한, 유입된 잡음을 최소화하고 충분한 이득 대역폭을 갖는 연산 증폭기를 선택할 수 있습니다. 연산 증폭기는 유입된 잡음의 양을 기준으로 평가할 수 있으며, 이는 무제한 대역폭(광대역폭) 또는 정의된 대역폭에 대한 신호 측정을 통해 결정됩니다.
A/D 변환기
A/D 변환기를 사용할 때 배경 잡음은 사용 가능한 측정 정확도를 결정하는 요소입니다.. 장치의 해상도가 24비트인 경우 변환기가 달성하는 실제 정확도는 일반적으로 잡음으로 인한 제한으로 인해 낮아집니다. 여기에서는 유효 비트와 매우 낮은 잡음 값을 구분해야 합니다. 여기서 유효 비트 사양은 잡음 레벨 RMS 값에서 계산되고, 매우 낮은 잡음 값은 피크 대 피크 값을 기반으로 하며, 이는 일반적으로 통계 RMS 값의 최대 6.6배에 해당합니다. 따라서 매우 낮은 잡음 사양은 컨버터의 유효 분해능을 나타내며 배경 잡음보다 높은 LSB 비트에서 안정적으로 유지됩니다. 애플리케이션마다 다를 수 있는 기준 전압 및 입력 범위와 같은 사양의 제한 사항에도 특별한 주의를 기울여야 하며, 데이터시트 약속은 실제 비율과 상당히 다를 수 있습니다.
연산 증폭기
증폭기가 저잡음과 고이득을 동시에 달성하는 것은 어렵습니다.. 그런 다음 증폭기의 잡음 수준을 오류와 동일한 범위로 가져와야 합니다. 모든 반도체 증폭기에는 플리커 노이즈(Flicker Noise)라고도 불리는 1/f 노이즈가 있는데, 이는 소재로 인해 발생하는 근본적인 현상입니다. 주파수와는 반대로 특정 잡음 변곡점 아래에서는 잡음 밀도가 기하급수적으로 증가하고 저주파에서는 매우 커집니다. 저렴한 비용으로 단일 칩에서 저잡음과 고이득 특성의 조합을 실현할 수 있는 증폭기는 거의 없습니다.
낮은 잡음과 높은 이득을 달성하기 위해 높은 입력 임피던스를 갖는 입력 증폭기, 입력 오류 수정 회로 및 두 번째(또는 세 번째) 보상 증폭기를 조합하여 원하는 이득을 달성하는 하이브리드 다중 증폭기 회로를 설계할 수 있습니다. 하나의 매개변수에 집중하는 증폭기는 종종 다른 영역에서 심각한 문제를 나타냅니다.
최종 생각
이것이 바로 실제 응용 프로그램에서 직접 구매하는 이유입니다. 보정되지 않은 베어 다이 또는 간단하게 포장된 압저항 압력 센서를 사용하고 회로 설계 및 온도 보상을 직접 처리하면 다음과 같은 문제에 직면할 수 있습니다. 중요한 초기 오프셋. 그러나 우리가 구입하면 디지털 방식으로 보정/교정됨 보상 기능이 내장된 압력 센서 또는 트랜스미터를 통해 직접적으로 달성할 수 있습니다. 전체 오류가 더 작음 (예: ±1% FS)가 데이터시트에 표시되어 있습니다.
위의 소개는 압력 센서 기술 적용의 표면적인 부분에 불과합니다. 우리는 다양한 제품에 사용되는 다양한 유형의 센서 요소, 작동 방식, 장점과 단점을 계속해서 탐구할 것입니다. 여기에서 논의된 내용에 대해 더 자세히 알아보려면 이 가이드 뒷부분의 관련 콘텐츠를 확인하세요. 시간이 촉박한 경우 여기를 클릭하여 이 가이드의 세부정보를 다운로드할 수도 있습니다. 공기 압력 센서 제품 PDF 데이터.
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