Introdução: Usamos muitos sensores de pressão, e geralmente descobrimos que os sensores de pressão vão se desviar após um período de uso. O que faz com que o sensor de pressão se desvie? Como podemos eliminar o desvio do sensor de pressão durante o design?
Causas de deriva do sensor
Deriva do sensor refere -se ao fenômeno que o valor de saída do sensor muda com o tempo. Essa deriva pode causar resultados de medição de sensores imprecisos, afetando sua confiabilidade e estabilidade em aplicações práticas. Existem muitas razões para a deriva do sensor, que será introduzido um por um abaixo.
Mudança de temperatura: A mudança de temperatura é uma das causas comuns de desvio do sensor. Mudanças de temperatura podem causar a expansão e contração do material dentro do elemento sensor, que, por sua vez, afeta a estrutura mecânica e as características elétricas do sensor, fazendo com que o valor da saída seja desviado. Por exemplo, Um aumento de temperatura aumentará o valor de resistência de um sensor de resistor, resultando em um valor de saída mais alto.
A fonte de alimentação muda: O valor de saída do sensor é afetado pela tensão de alimentação. Quando a tensão de oferta muda, O valor de saída do sensor também mudará. Isso ocorre porque as mudanças na tensão de oferta farão com que o estado de trabalho do circuito interno do sensor mude, que, por sua vez, afeta a amplitude e a estabilidade do sinal de saída.
Uso a longo prazo: O uso a longo prazo também é uma causa importante de deriva do sensor. Durante o uso, o sensor pode ser afetado pela mecânica, Fatores de expansão e contração química ou térmica, causando mudanças em sua estrutura interna, o que, por sua vez, faz com que o valor de saída desvie. Além disso, O sensor também pode ser afetado por fatores ambientais externos, como vibração e impacto, exacerbando ainda mais o fenômeno da deriva.
Envelhecimento do sensor: Ao longo do tempo, O desempenho do sensor pode diminuir gradualmente e a deriva pode ocorrer. Isso ocorre porque os materiais e componentes dentro do sensor envelhecerão com o aumento do tempo de uso, causando suas propriedades físicas para mudar. Por exemplo, O eletrólito dentro do sensor vai drenar gradualmente, causando sua sensibilidade e estabilidade para diminuir, o que, por sua vez, faz com que o valor de saída desvie.
Influência ambiental: A deriva do sensor também pode ser afetada por fatores ambientais. Por exemplo, mudanças em fatores ambientais, como pressão do ar, umidade, e a luz pode fazer com que o valor de saída do sensor desvie. Isso ocorre porque as mudanças nos fatores ambientais mudarão a interação entre o sensor e o objeto a ser medido, afetando assim a precisão da medição e a estabilidade do sensor.
Nos primeiros dias do desenvolvimento de sensores de pressão, O vidro em pó foi usado para selar o chip difuso de silício e a base de metal. A desvantagem era que havia um grande estresse em torno do chip de pressão, E mesmo após o recozimento, O estresse não pôde ser completamente eliminado. Quando a temperatura muda, Devido aos diferentes coeficientes de expansão térmica do metal, vidro e batatas fritas de silicone difusas, O estresse térmico será gerado, causando o ponto zero do sensor a deriva. É por isso que o desvio térmico do ponto zero do sensor é muito maior que o desvio térmico do ponto zero do chip. Se a pasta de prata e a soldagem terminal não forem tratadas corretamente, É fácil causar resistência de contato instável. Especialmente quando a temperatura muda, A resistência ao contato tem mais probabilidade de mudar. Esses fatores são os motivos para o desvio de ponto zero e desvio de temperatura grande do sensor.
Análise da teoria dos semicondutores da causa de deriva térmica de ponto zero: Somente quando a concentração de dopagem e o valor de resistência do resistor são consistentes, a tensão de saída de ponto zero da ponte é pequeno e o desvio térmico de ponto zero também é pequeno, o que é muito benéfico para melhorar o desempenho do sensor. No entanto, Não é fácil obter distribuição uniforme de doping durante a difusão, Portanto, as tiras de varistores precisam estar o mais próximo possível e o mais curto possível.
Análise de circuito da causa do deriva térmica de ponto zero: Idealmente, Os valores de resistência dos quatro resistores difusos que compõem a ponte Wheatstone devem ser iguais. O desvio da temperatura do ponto zero é causado pela mudança de valor difuso do resistor com a temperatura. Dentro de uma certa faixa de temperatura, O valor de resistência aumenta com o aumento da temperatura, aquilo é, O coeficiente de temperatura r do resistor difuso é positivo.
Soluções para problemas de deriva do sensor
Geral, A compensação de deriva zero de sensores de pressão pode ser dividida em duas direções: compensação de hardware e compensação de software.
Método de compensação zero de hardware: Método de resistência constante apropriado em série e paralelo no braço da ponte: Método de compensação do termistor do braço da ponte, Bridge External Series e Método de compensação de Termistor paralelo, Tecnologia de compensação de ponte dupla, Tecnologia de compensação do transistor, etc..
Otimize o design do circuito: O projeto de circuito razoável pode reduzir o impacto do desvio do sensor. Por exemplo, O uso do circuito de compensação de temperatura pode corrigir o impacto das mudanças de temperatura nos valores de saída do sensor e melhorar a precisão e a estabilidade da medição. Além disso, Métodos de projeto de circuito, como filtragem e amplificação, também podem ser usados para eliminar o impacto das mudanças na fonte de alimentação e a interferência ambiental nos sensores.
Método de desvio zero de compensação de software: No processo de aquisição de sinal, Desde o momento em que o sinal do gatilho não ocorre no momento em que a aquisição é acionada e após a conclusão da aquisição, O sinal de entrada é zero e o sinal de saída não é zero. Estes dados de saída coletados existem na forma de ruído aleatório, o que não tem sentido para o cálculo e processamento de dados. Definimos o valor do sinal coletado durante esse período como deriva zero.
Os métodos de software adotados são:
Método de especificação de ajuste polinomial. Já que na medição real, a temperatura, A pressão e outras quantidades físicas medidas pelo sensor de pressão não terão uma relação linear estrita com o valor de saída, o relacionamento funcional é frequentemente na forma de um polinômio. Polinômios podem ser usados para se encaixar em sinais não lineares, e a chave é resolver seus coeficientes.
Método de rede neural RBF. Princípio básico: Geralmente o método de fórmula no algoritmo de compensação de temperatura de ponto zero é relativamente complexo, e a precisão do encaixe é frequentemente limitada. O método de rede neural artificial tem as vantagens de um pequeno número de amostras, um algoritmo simples, a capacidade de aproximar funções arbitrárias, e boas perspectivas de aplicativos.
Além disso, O método de software também inclui o método de pesquisa de tabela, Método de interpolação, etc..
Para reduzir o impacto da deriva, As seguintes medidas podem ser tomadas:
Estabilizar a temperatura: Mantenha o sensor em um estado de temperatura constante o máximo possível para evitar o impacto das flutuações de temperatura.
Use medidas de compensação de temperatura: Adicione um sensor de temperatura dentro do sensor para executar a compensação de correção, detectando mudanças de temperatura.
Escolha um método de ligação de substrato adequado: Um método de ligação de substrato adequado pode reduzir o impacto do estresse mecânico.
Escolha um amplificador independente: Use um amplificador independente para ampliar o sinal, que não é afetado por outros fatores externos e pode reduzir os problemas de deriva.
Use a tecnologia de calibração automática: Através da calibração automática, O sensor pode manter uma saída estável sob diferentes temperaturas, umidade e outros ambientes.
Escolha um sensor de alta precisão: A deriva de um sensor de alta precisão é pequeno, que pode reduzir o impacto.
Processe os dados de deriva: Coletando dados por um período de tempo e calculando a média dos dados de deriva, O impacto do desvio nos resultados da medição pode ser reduzido.
