Введение: Мы используем множество датчиков давления и часто обнаруживаем, что датчики давления смещаются после определенного периода использования. Что вызывает дрейф датчика давления? Как устранить дрейф датчика давления во время проектирования?
Причины дрейфа датчика
Дрейф датчика относится к явлению, при котором выходное значение датчика изменяется со временем. Этот дрейф может привести к неточным результатам измерений датчика, влияя на его надежность и стабильность в практических приложениях. Существует множество причин дрейфа датчика, которые будут рассмотрены ниже.
Изменение температуры. Изменение температуры является одной из частых причин дрейфа датчика. Изменения температуры могут вызвать расширение и сжатие материала внутри сенсорного элемента, что, в свою очередь, влияет на механическую структуру и электрические характеристики сенсора, вызывая дрейф выходного значения. Например, повышение температуры приведет к увеличению значения сопротивления резисторного датчика, что приведет к более высокому выходному значению.
Изменение источника питания: Выходное значение датчика зависит от напряжения питания. При изменении напряжения питания выходное значение датчика также изменится. Это связано с тем, что изменение напряжения питания приведет к изменению рабочего состояния внутренней цепи датчика, что, в свою очередь, влияет на амплитуду и стабильность выходного сигнала.
Длительное использование: Длительное использование также является важной причиной дрейфа датчика. Во время использования на датчик могут воздействовать механические, химические или термические факторы расширения и сжатия, вызывающие изменения в его внутренней структуре, что, в свою очередь, приводит к дрейфу выходного значения. Кроме того, на датчик также могут влиять внешние факторы окружающей среды, такие как вибрация и удары, что еще больше усугубляет явление дрейфа.
Старение датчика. Со временем производительность датчика может постепенно снижаться и может возникнуть дрейф. Это связано с тем, что материалы и компоненты внутри датчика со временем стареют, что приводит к изменению его физических свойств. Например, электролит внутри датчика постепенно вытекает, что приводит к снижению его чувствительности и стабильности, что, в свою очередь, приводит к дрейфу выходного значения.
Влияние окружающей среды: на дрейф датчика также могут влиять факторы окружающей среды. Например, изменения факторов окружающей среды, таких как давление воздуха, влажность и освещенность, могут привести к дрейфу выходного значения датчика. Это связано с тем, что изменения факторов окружающей среды изменят взаимодействие между датчиком и измеряемым объектом, тем самым влияя на точность измерения и стабильность датчика.
На заре разработки датчиков давления для герметизации диффузионного кремниевого чипа и металлического основания использовался стеклянный порошок. Недостаток заключался в том, что вокруг прессованной стружки возникало большое напряжение, и даже после отжига напряжение не удалось полностью устранить. При изменении температуры из-за различных коэффициентов теплового расширения металла, стекла и кремниевых чипов возникает тепловое напряжение, вызывающее дрейф нулевой точки датчика. Вот почему тепловой дрейф нулевой точки датчика намного больше, чем тепловой дрейф нулевой точки чипа. Если неправильно обращаться с серебряной пастой и приваркой клемм, легко вызвать нестабильное контактное сопротивление. Контактное сопротивление, скорее всего, изменится, особенно при изменении температуры. Эти факторы являются причинами большого дрейфа нулевой точки и температурного дрейфа датчика.
Анализ теории полупроводников причины теплового дрейфа нулевой точки: только когда концентрация легирования и значение сопротивления резистора совпадают, выходное напряжение нулевой точки моста может быть небольшим, а тепловой дрейф нулевой точки также мал, что очень полезно для улучшения производительности датчика. Однако добиться равномерного распределения легирования в процессе диффузии непросто, поэтому полоски варистора должны располагаться как можно ближе и как можно короче.
Анализ схемы причины теплового дрейфа нулевой точки: В идеале значения сопротивлений четырех диффузионных резисторов, составляющих мост Уитстона, должны быть равны. Температурный дрейф нулевой точки вызван изменением номинала диффузионного резистора с температурой. В определенном диапазоне температур величина сопротивления увеличивается с повышением температуры, то есть температурный коэффициент R диффузионного резистора положителен.
Решения проблем дрейфа датчика
В целом компенсацию дрейфа нуля датчиков давления можно разделить на два направления: аппаратную компенсацию и программную компенсацию.
Аппаратный метод нулевой компенсации: Соответствующий метод постоянного сопротивления последовательно и параллельно на плече моста: метод компенсации термистора плеча моста, метод внешней последовательной и параллельной компенсации термистора моста, технология компенсации двойного моста, технология компенсации транзистора и т. д.
Оптимизация схемы: Разумная конструкция схемы может уменьшить влияние дрейфа датчика. Например, использование схемы температурной компенсации позволяет скорректировать влияние изменений температуры на выходные значения датчика и повысить точность и стабильность измерений. Кроме того, для устранения влияния изменений источника питания и помех окружающей среды на датчики также можно использовать методы проектирования схем, такие как фильтрация и усиление.
Метод программной компенсации смещения нуля: В процессе сбора сигнала с момента, когда сигнал запуска не возникает, до момента запуска сбора данных и после завершения сбора данных, входной сигнал равен нулю, а выходной сигнал не равен нулю. Эти собранные выходные данные существуют в виде случайного шума, который не имеет смысла для расчета и обработки данных. Мы определяем значение сигнала, собранное в течение этого периода, как дрейф нуля.
Принятые программные методы:
Метод полиномиальной аппроксимации. Поскольку при реальных измерениях температура, давление и другие физические величины, измеряемые датчиком давления, не будут иметь строгой линейной зависимости от выходного значения, функциональная зависимость часто имеет форму полинома. Полиномы можно использовать для сопоставления нелинейных сигналов, и ключом к решению является определение их коэффициентов.
Метод нейронной сети RBF. Основной принцип: Обычно метод формулы в алгоритме программного обеспечения компенсации температуры в нулевой точке относительно сложен, а точность подгонки часто ограничена. Метод искусственных нейронных сетей имеет преимущества небольшого количества выборок, простоты алгоритма, возможности аппроксимации произвольных функций и хороших перспектив применения.
Кроме того, программный метод также включает в себя метод поиска по таблице, метод интерполяции и т. д.
Чтобы уменьшить влияние дрейфа, можно принять следующие меры:
Стабилизация температуры: Поддерживайте датчик в постоянном температурном состоянии, насколько это возможно, чтобы избежать влияния колебаний температуры.
Используйте меры температурной компенсации: добавьте датчик температуры внутрь датчика, чтобы выполнить корректирующую компенсацию путем определения изменений температуры.
Выберите подходящий метод приклеивания подложки. Подходящий метод приклеивания подложки может снизить воздействие механического напряжения.
Выберите независимый усилитель. Используйте независимый усилитель для усиления сигнала, на который не влияют другие внешние факторы и который может уменьшить проблемы дрейфа.
Используйте технологию автоматической калибровки: благодаря автоматической калибровке датчик может поддерживать стабильный выходной сигнал при различных температурах, влажности и других условиях.
Выберите высокоточный датчик: дрейф высокоточного датчика невелик, что может уменьшить воздействие.
Обработка данных дрейфа: путем сбора данных за определенный период времени и усреднения данных дрейфа можно уменьшить влияние дрейфа на результаты измерений.
