Увод: Користимо много сензора притиска и често откривамо да ће сензори притиска померити после одређеног периода употребе. Шта узрокује померање сензора притиска? Како можемо елиминисати померање сензора притиска током пројектовања?
Узроци померања сензора
Померање сензора се односи на појаву да се излазна вредност сензора мења током времена. Ово одступање може проузроковати нетачне резултате мерења сензора, што утиче на његову поузданост и стабилност у практичним применама. Постоји много разлога за померање сензора, који ће бити представљени један по један у наставку.
Промена температуре: Промена температуре је један од уобичајених узрока померања сензора. Промене температуре могу изазвати ширење и контракцију материјала унутар сензорског елемента, што заузврат утиче на механичку структуру и електричне карактеристике сензора, узрокујући померање излазне вредности. На пример, повећање температуре ће повећати вредност отпора сензора отпорника, што доводи до веће излазне вредности.
Промене напајања: На излазну вредност сензора утиче напон напајања. Када се напон напајања промени, промениће се и излазна вредност сензора. То је зато што ће промене напона напајања изазвати промену радног стања унутрашњег кола сензора, што заузврат утиче на амплитуду и стабилност излазног сигнала.
Дуготрајна употреба: Дуготрајна употреба је такође важан узрок померања сензора. Током употребе, сензор може бити под утицајем механичких, хемијских или термичких фактора експанзије и контракције, изазивајући промене у његовој унутрашњој структури, што заузврат узрокује померање излазне вредности. Поред тога, на сензор могу утицати и спољни фактори околине као што су вибрације и удари, што додатно погоршава феномен дрифта.
Старење сензора: Током времена, перформансе сензора могу постепено опадати и може доћи до померања. То је зато што ће материјали и компоненте унутар сензора старити са повећањем времена употребе, што доводи до промене његових физичких својстава. На пример, електролит унутар сензора ће се постепено одводити, узрокујући смањење његове осетљивости и стабилности, што заузврат узрокује померање излазне вредности.
Утицај околине: На померање сензора могу утицати и фактори околине. На пример, промене фактора околине као што су ваздушни притисак, влажност и светлост могу довести до померања излазне вредности сензора. То је зато што ће промене фактора околине променити интеракцију између сензора и објекта који се мери, чиме ће утицати на тачност мерења и стабилност сензора.
У раним данима развоја сензора притиска, стаклени прах је коришћен за заптивање дифузног силицијумског чипа и металне основе. Недостатак је био што је постојао велики напон око чипа под притиском, па чак и након жарења, напон није могао бити потпуно елиминисан. Када се температура промени, услед различитих коефицијената топлотног ширења метала, стакла и распршених силицијумских чипова, ствара се термички стрес, што доводи до померања нулте тачке сензора. Због тога је топлотни помак нулте тачке сензора много већи од топлотног померања нулте тачке чипа. Ако се сребрном пастом и терминалним заваривањем не рукује правилно, лако је изазвати нестабилан контактни отпор. Нарочито када се температура промени, већа је вероватноћа да ће се променити контактни отпор. Ови фактори су разлози за велики помак нулте тачке и температурни помак сензора.
Теорија полупроводника анализа узрока термичког померања нулте тачке: Само када су концентрација допинга и вредност отпора отпорника конзистентне, излазни напон нулте тачке моста може бити мали, а топлотни помак нулте тачке је такође мали, што је веома корисно за побољшање перформанси сензора. Међутим, није лако постићи равномерну дистрибуцију допинга током дифузије, па се захтева да траке варистора буду што ближе и што краће.
Анализа кола узрока топлотног померања нулте тачке: У идеалном случају, вредности отпора четири дифузна отпорника који чине Вхеатстонов мост треба да буду једнаке. Одступање температуре нулте тачке је узроковано променом вредности дифузног отпорника са температуром. У оквиру одређеног температурног опсега, вредност отпора расте са порастом температуре, односно температурни коефицијент Р дифузног отпорника је позитиван.
Решења за проблеме померања сензора
Све у свему, компензација нултог одступања сензора притиска може се поделити у два правца: хардверска компензација и софтверска компензација.
Метод хардверске нулте компензације: Одговарајући метод константног отпора у серији и паралелно на краку моста: метода компензације термистора крака моста, метода компензације екстерног серијског и паралелног термистора моста, технологија компензације двоструког моста, технологија компензације транзистора итд.
Оптимизујте дизајн кола: Разуман дизајн кола може смањити утицај померања сензора. На пример, коришћење кола за температурну компензацију може да исправи утицај промена температуре на излазне вредности сензора и побољша тачност и стабилност мерења. Поред тога, методе пројектовања кола као што су филтрирање и појачање такође се могу користити за елиминисање утицаја промена напајања и утицаја околине на сензоре.
Софтверска компензација метода нулте промене: У процесу аквизиције сигнала, од тренутка када се сигнал окидача не појави до тренутка када се аквизиција активира и након што је аквизиција завршена, улазни сигнал је нула, а излазни сигнал није нула. Ови прикупљени излазни подаци постоје у облику случајног шума, што је бесмислено за прорачун и обраду података. Вредност сигнала прикупљеног током овог периода дефинишемо као нулти дрифт.
Усвојене софтверске методе су:
Метода спецификације полинома уклапања. Пошто у стварном мерењу, температура, притисак и друге физичке величине мерене сензором притиска неће имати строгу линеарну везу са излазном вредношћу, функционални однос је често у облику полинома. Полиноми се могу користити за уклапање нелинеарних сигнала, а кључ је у решавању њихових коефицијената.
Метода РБФ неуронске мреже. Основни принцип: Обично је метода формуле у софтверском алгоритму за компензацију температуре нулте тачке релативно сложена, а прецизност уклапања је често ограничена. Метода вештачке неуронске мреже има предности малог броја узорака, једноставног алгоритма, могућности апроксимације произвољних функција и добре изгледе за примену.
Поред тога, софтверска метода укључује и метод претраживања табеле, метод интерполације итд.
Да би се смањио утицај дрифта, могу се предузети следеће мере:
Стабилизација температуре: Одржавајте сензор у стању константне температуре што је више могуће како бисте избегли утицај температурних флуктуација.
Користите мере температурне компензације: Додајте температурни сензор унутар сензора да бисте извршили компензацију корекције тако што ћете осетити промене температуре.
Изаберите одговарајући метод везивања подлоге: Одговарајући метод везивања супстрата може смањити утицај механичког напрезања.
Изаберите независно појачало: Користите независно појачало да појачате сигнал, на који не утичу други спољни фактори и може да смањи проблеме са помаком.
Користите технологију аутоматске калибрације: Кроз аутоматску калибрацију, сензор може одржавати стабилан излаз при различитим температурама, влажности и другим окружењима.
Изаберите сензор високе прецизности: Одступање сензора високе прецизности је мало, што може смањити утицај.
Обрада података о помаку: Прикупљањем података током одређеног временског периода и усредњавањем података о помаку, утицај помака на резултате мерења може да се смањи.
