Inleiding: We gebruiken veel druksensoren en we merken vaak dat druksensoren na een bepaalde gebruiksperiode gaan afwijken. Wat zorgt ervoor dat de druksensor afdrijft? Hoe kunnen we tijdens het ontwerp de drift van de druksensor elimineren?
Oorzaken van sensorafwijking
Sensordrift verwijst naar het fenomeen dat de uitgangswaarde van de sensor in de loop van de tijd verandert. Deze drift kan onnauwkeurige meetresultaten van de sensor veroorzaken, waardoor de betrouwbaarheid en stabiliteit in praktische toepassingen worden aangetast. Er zijn veel redenen voor sensordrift, die hieronder één voor één worden geïntroduceerd.
Temperatuurverandering: Temperatuurverandering is een van de meest voorkomende oorzaken van sensordrift. Temperatuurveranderingen kunnen de uitzetting en samentrekking van het materiaal in het sensorelement veroorzaken, wat op zijn beurt de mechanische structuur en elektrische eigenschappen van de sensor beïnvloedt, waardoor de uitgangswaarde gaat afwijken. Een temperatuurstijging zal bijvoorbeeld de weerstandswaarde van een weerstandssensor verhogen, wat resulteert in een hogere uitgangswaarde.
Voedingsveranderingen: De uitgangswaarde van de sensor wordt beïnvloed door de voedingsspanning. Wanneer de voedingsspanning verandert, verandert ook de uitgangswaarde van de sensor. Dit komt omdat veranderingen in de voedingsspanning ervoor zorgen dat de werkstatus van het interne circuit van de sensor verandert, wat op zijn beurt de amplitude en stabiliteit van het uitgangssignaal beïnvloedt.
Langdurig gebruik: Langdurig gebruik is ook een belangrijke oorzaak van sensordrift. Tijdens gebruik kan de sensor worden beïnvloed door mechanische, chemische of thermische uitzettings- en samentrekkingsfactoren, waardoor veranderingen in de interne structuur ontstaan, waardoor de uitgangswaarde gaat afwijken. Bovendien kan de sensor ook worden beïnvloed door externe omgevingsfactoren zoals trillingen en schokken, waardoor het driftverschijnsel verder wordt verergerd.
Veroudering van de sensor: Na verloop van tijd kunnen de prestaties van de sensor geleidelijk afnemen en kan er drift optreden. Dit komt doordat de materialen en componenten in de sensor ouder worden naarmate de gebruiksduur toeneemt, waardoor de fysieke eigenschappen veranderen. Het elektrolyt in de sensor zal bijvoorbeeld geleidelijk wegvloeien, waardoor de gevoeligheid en stabiliteit afnemen, waardoor de uitgangswaarde gaat afwijken.
Omgevingsinvloeden: De drift van de sensor kan ook worden beïnvloed door omgevingsfactoren. Veranderingen in omgevingsfactoren zoals luchtdruk, vochtigheid en licht kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat de uitgangswaarde van de sensor afwijkt. Dit komt omdat veranderingen in omgevingsfactoren de interactie tussen de sensor en het te meten object zullen veranderen, waardoor de meetnauwkeurigheid en stabiliteit van de sensor worden beïnvloed.
In de begindagen van de ontwikkeling van druksensoren werd glaspoeder gebruikt om de diffuse siliciumchip en de metalen basis af te dichten. Het nadeel was dat er een grote spanning rond de drukchip stond, en zelfs na het uitgloeien kon de spanning niet volledig geëlimineerd worden. Wanneer de temperatuur verandert, als gevolg van de verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van metaal, glas en diffuse siliciumchips, zal thermische spanning worden gegenereerd, waardoor het nulpunt van de sensor gaat afwijken. Dit is de reden waarom de thermische nulpuntsdrift van de sensor veel groter is dan de thermische nulpuntsdrift van de chip. Als zilverpasta en terminallassen niet op de juiste manier worden behandeld, is het gemakkelijk om een onstabiele contactweerstand te veroorzaken. Vooral als de temperatuur verandert, is de kans groter dat de contactweerstand verandert. Deze factoren zijn de redenen voor de grote nulpuntdrift en temperatuurdrift van de sensor.
Analyse van de halfgeleidertheorie van de oorzaak van de thermische nulpuntsdrift: alleen wanneer de doteringsconcentratie en de weerstandswaarde van de weerstand consistent zijn, kan de nulpuntsuitgangsspanning van de brug klein zijn en is de thermische nulpuntsdrift ook klein, wat zeer gunstig is voor het verbeteren van de prestaties van de sensor. Het is echter niet eenvoudig om tijdens diffusie een uniforme doteringsverdeling te bereiken, dus moeten de varistorstrips zo dicht mogelijk bij elkaar en zo kort mogelijk zijn.
Circuitanalyse van de oorzaak van thermische nulpuntsdrift: Idealiter zouden de weerstandswaarden van de vier diffuse weerstanden waaruit de Wheatstone-brug bestaat gelijk moeten zijn. Nulpunttemperatuurdrift wordt veroorzaakt door de verandering van de diffuse weerstandswaarde met de temperatuur. Binnen een bepaald temperatuurbereik neemt de weerstandswaarde toe met de temperatuurstijging, dat wil zeggen dat de temperatuurcoëfficiënt R van de diffuse weerstand positief is.
Oplossingen voor problemen met sensorafwijking
Over het algemeen kan de nuldriftcompensatie van druksensoren in twee richtingen worden verdeeld: hardwarecompensatie en softwarecompensatie.
Hardware-nulcompensatiemethode: Geschikte constante weerstandsmethode in serie en parallel op de brugarm: brugarm-thermistorcompensatiemethode, brug externe serie- en parallelle thermistorcompensatiemethode, dubbele brugcompensatietechnologie, transistorcompensatietechnologie, enz.
Optimaliseer het circuitontwerp: Een redelijk circuitontwerp kan de impact van sensordrift verminderen. Het gebruik van een temperatuurcompensatiecircuit kan bijvoorbeeld de impact van temperatuurveranderingen op de uitgangswaarden van de sensor corrigeren en de meetnauwkeurigheid en stabiliteit verbeteren. Bovendien kunnen circuitontwerpmethoden zoals filtering en versterking ook worden gebruikt om de impact van veranderingen in de stroomvoorziening en omgevingsinterferentie op sensoren te elimineren.
Softwarecompensatie nul-drift-methode: In het signaalverwervingsproces is het ingangssignaal nul en het uitgangssignaal niet nul, vanaf het moment waarop het triggersignaal niet optreedt tot het moment waarop de acquisitie wordt geactiveerd en nadat de acquisitie is voltooid. Deze verzamelde uitvoergegevens bestaan in de vorm van willekeurige ruis, wat betekenisloos is voor de gegevensberekening en -verwerking. We definiëren de tijdens deze periode verzamelde signaalwaarde als nuldrift.
De gebruikte softwaremethoden zijn:
Polynomiale fittingspecificatiemethode. Since in actual measurement, the temperature, pressure and other physical quantities measured by the pressure sensor will not have a strict linear relationship with the output value, the functional relationship is often in the form of a polynomial. Polynomen kunnen worden gebruikt om niet-lineaire signalen te fitten, en de sleutel is om hun coëfficiënten op te lossen.
RBF neurale netwerkmethode. Basisprincipe: Meestal is de formulemethode in het software-algoritme voor nulpuntstemperatuurcompensatie relatief complex en is de pasnauwkeurigheid vaak beperkt. De kunstmatige neurale netwerkmethode heeft de voordelen van een klein aantal monsters, een eenvoudig algoritme, de mogelijkheid om willekeurige functies te benaderen en goede toepassingsvooruitzichten.
Bovendien omvat de softwaremethode ook de tabelopzoekmethode, interpolatiemethode, enz.
Om de impact van drift te verminderen kunnen de volgende maatregelen worden genomen:
Stabiliseer de temperatuur: Houd de sensor zoveel mogelijk op een constante temperatuur om de impact van temperatuurschommelingen te voorkomen.
Gebruik temperatuurcompensatiemaatregelen: Voeg een temperatuursensor in de sensor toe om correctiecompensatie uit te voeren door temperatuurveranderingen waar te nemen.
Kies een geschikte substraatverlijmingsmethode: Een geschikte substraatverlijmingsmethode kan de impact van mechanische spanningen verminderen.
Kies een onafhankelijke versterker: Gebruik een onafhankelijke versterker om het signaal te versterken, deze wordt niet beïnvloed door andere externe factoren en kan driftproblemen verminderen.
Gebruik automatische kalibratietechnologie: Door automatische kalibratie kan de sensor een stabiele output behouden onder verschillende temperaturen, vochtigheid en andere omgevingen.
Kies een uiterst nauwkeurige sensor: De drift van een uiterst nauwkeurige sensor is klein, wat de impact kan verminderen.
Verwerk de driftgegevens: Door gegevens over een bepaalde periode te verzamelen en de driftgegevens te middelen, kan de impact van drift op de meetresultaten worden verminderd.
