อะไรทำให้เกิดการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์ความดัน?

• บทนำ: เราใช้เซ็นเซอร์วัดแรงกดจำนวนมาก และเรามักจะพบว่าเซ็นเซอร์วัดแรงกดจะลอยไปหลังจากใช้งานไประยะหนึ่ง อะไรทำให้เซ็นเซอร์ความดันลอย เราจะกำจัดการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์ความดันในระหว่างการออกแบบได้อย่างไร

สาเหตุของการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์

การดริฟท์ของเซ็นเซอร์หมายถึงปรากฏการณ์ที่ค่าเอาท์พุตของเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป การเบี่ยงเบนนี้อาจทำให้เกิดผลการวัดเซ็นเซอร์ที่ไม่ถูกต้อง ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือและความเสถียรในการใช้งานจริง มีเหตุผลหลายประการที่ทำให้เซ็นเซอร์เบี่ยงเบน ซึ่งจะอธิบายทีละข้อด้านล่าง

1. การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ: การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้เซ็นเซอร์เบี่ยงเบน การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอาจทำให้เกิดการขยายตัวและการหดตัวของวัสดุภายในส่วนประกอบเซนเซอร์ ซึ่งจะส่งผลต่อโครงสร้างทางกลและคุณลักษณะทางไฟฟ้าของเซนเซอร์ ส่งผลให้ค่าเอาท์พุตคลาดเคลื่อน ตัวอย่างเช่น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะเพิ่มค่าความต้านทานของเซ็นเซอร์ตัวต้านทาน ส่งผลให้ค่าเอาท์พุตสูงขึ้น
2. การเปลี่ยนแปลงแหล่งจ่ายไฟ: ค่าเอาท์พุตของเซนเซอร์ได้รับผลกระทบจากแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟจ่ายเปลี่ยนแปลง ค่าเอาท์พุตของเซ็นเซอร์ก็จะเปลี่ยนไปด้วย เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจะทำให้สถานะการทำงานของวงจรภายในของเซ็นเซอร์เปลี่ยนแปลง ซึ่งจะส่งผลต่อแอมพลิจูดและความเสถียรของสัญญาณเอาท์พุต
3. การใช้งานระยะยาว: การใช้งานในระยะยาวยังเป็นสาเหตุสำคัญของการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์อีกด้วย ในระหว่างการใช้งาน เซ็นเซอร์อาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยการขยายตัวและการหดตัวทางกล ทางเคมี หรือความร้อน ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างภายใน ซึ่งจะทำให้ค่าเอาท์พุตคลาดเคลื่อน นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ยังอาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมภายนอก เช่น การสั่นสะเทือนและการกระแทก ซึ่งทำให้ปรากฏการณ์การดริฟท์รุนแรงขึ้นอีก
4. อายุของเซ็นเซอร์: เมื่อเวลาผ่านไป ประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์อาจค่อยๆ ลดลงและอาจเกิดการเบี่ยงเบนได้ เนื่องจากวัสดุและส่วนประกอบภายในเซนเซอร์จะมีอายุตามระยะเวลาการใช้งานที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้คุณสมบัติทางกายภาพของเซนเซอร์เปลี่ยนแปลงไป ตัวอย่างเช่น อิเล็กโทรไลต์ภายในเซนเซอร์จะค่อยๆ ระบายออกไป ส่งผลให้ความไวและความเสถียรลดลง ซึ่งจะทำให้ค่าเอาท์พุตคลาดเคลื่อนไปในทางกลับกัน
5. อิทธิพลต่อสิ่งแวดล้อม: การเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์อาจได้รับผลกระทบจากปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมด้วย ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนแปลงปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ความกดอากาศ ความชื้น และแสง อาจทำให้ค่าเอาท์พุตของเซ็นเซอร์คลาดเคลื่อน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมจะเปลี่ยนปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซ็นเซอร์กับวัตถุที่จะวัด ซึ่งส่งผลต่อความแม่นยำและความเสถียรในการวัดของเซ็นเซอร์

ในช่วงแรกๆ ของการพัฒนาเซ็นเซอร์วัดแรงกด ผงแก้วถูกนำมาใช้เพื่อปิดผนึกชิปซิลิคอนที่กระจายตัวและฐานโลหะ ข้อเสียคือมีความเครียดมากรอบๆ ชิปแรงดัน และแม้จะผ่านการอบอ่อนแล้ว ก็ไม่สามารถขจัดความเครียดได้ทั้งหมด เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันของโลหะ แก้ว และชิปซิลิคอนแบบกระจาย จะเกิดความเครียดจากความร้อน ส่งผลให้จุดศูนย์ของเซ็นเซอร์เบี่ยงเบนไป นี่คือสาเหตุที่ค่าเบี่ยงเบนความร้อนจุดศูนย์ของเซ็นเซอร์มีขนาดใหญ่กว่าค่าเบี่ยงเบนความร้อนของชิปจุดศูนย์มาก หากไม่ได้จัดการซิลเวอร์เพสต์และการเชื่อมเทอร์มินัลอย่างเหมาะสม จะทำให้เกิดความต้านทานต่อการสัมผัสที่ไม่เสถียรได้ง่าย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความต้านทานต่อการสัมผัสมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงมากขึ้น ปัจจัยเหล่านี้เป็นสาเหตุของการเคลื่อนตัวของจุดศูนย์ขนาดใหญ่และการเคลื่อนตัวของอุณหภูมิของเซ็นเซอร์

การวิเคราะห์ทฤษฎีเซมิคอนดักเตอร์สาเหตุของการดริฟท์ความร้อนแบบจุดศูนย์: เฉพาะเมื่อความเข้มข้นของยาสลบและค่าความต้านทานของตัวต้านทานมีความสอดคล้องกันเท่านั้น แรงดันเอาต์พุตจุดศูนย์ของสะพานจะมีขนาดเล็ก และการดริฟท์ความร้อนแบบจุดศูนย์ก็มีขนาดเล็กเช่นกัน ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซ็นเซอร์ อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะบรรลุการกระจายตัวของสารโด๊ปที่สม่ำเสมอในระหว่างการแพร่กระจาย ดังนั้นแถบวาริสเตอร์จึงจำเป็นต้องอยู่ใกล้ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

การวิเคราะห์วงจรสาเหตุของการดริฟท์ความร้อนเป็นศูนย์: ตามหลักการแล้วค่าความต้านทานของตัวต้านทานแบบกระจายทั้งสี่ที่ประกอบเป็นสะพานวีทสโตนควรจะเท่ากัน การเคลื่อนตัวของอุณหภูมิจุดศูนย์เกิดจากการเปลี่ยนแปลงค่าตัวต้านทานแบบกระจายตามอุณหภูมิ ภายในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด ค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ กล่าวคือ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ R ของตัวต้านทานแบบกระจายจะเป็นค่าบวก

แนวทางแก้ไขปัญหาการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์

โดยรวมแล้ว การชดเชยค่าเบี่ยงเบนศูนย์ของเซ็นเซอร์ความดันสามารถแบ่งออกเป็นสองทิศทาง: การชดเชยฮาร์ดแวร์และการชดเชยซอฟต์แวร์

วิธีการชดเชยฮาร์ดแวร์เป็นศูนย์:
วิธีการต้านทานคงที่ที่เหมาะสมทั้งแบบอนุกรมและขนานบนแขนบริดจ์: วิธีการชดเชยเทอร์มิสเตอร์เทอร์มิสเตอร์แบบแขนสะพาน, อนุกรมภายนอกของบริดจ์และวิธีการชดเชยเทอร์มิสเตอร์แบบขนาน, เทคโนโลยีการชดเชยบริดจ์คู่, เทคโนโลยีการชดเชยทรานซิสเตอร์ ฯลฯ

เพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบวงจร: การออกแบบวงจรที่เหมาะสมสามารถลดผลกระทบของการเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์ได้ ตัวอย่างเช่น การใช้วงจรชดเชยอุณหภูมิสามารถแก้ไขผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มีต่อค่าเอาท์พุตของเซ็นเซอร์ และปรับปรุงความแม่นยำและเสถียรภาพในการวัด นอกจากนี้ วิธีการออกแบบวงจร เช่น การกรองและการขยายสัญญาณ ยังสามารถใช้เพื่อขจัดผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงแหล่งจ่ายไฟและการรบกวนสิ่งแวดล้อมต่อเซ็นเซอร์อีกด้วย

ซอฟต์แวร์ชดเชยวิธีการดริฟท์เป็นศูนย์: ในกระบวนการรับสัญญาณ นับตั้งแต่เวลาที่สัญญาณทริกเกอร์ไม่เกิดขึ้นจนถึงเวลาที่ทริกเกอร์การรับสัญญาณ และหลังจากการรับเสร็จสมบูรณ์ สัญญาณอินพุตจะเป็นศูนย์และสัญญาณเอาท์พุตจะไม่เป็นศูนย์ ข้อมูลเอาต์พุตที่รวบรวมนี้มีอยู่ในรูปแบบของสัญญาณรบกวนแบบสุ่ม ซึ่งไม่มีความหมายสำหรับการคำนวณและประมวลผลข้อมูล เรากำหนดค่าสัญญาณที่รวบรวมในช่วงเวลานี้เป็นศูนย์ดริฟท์

วิธีการซอฟต์แวร์ที่นำมาใช้คือ:

วิธีกำหนดคุณสมบัติพหุนามฟิตติ้ง เนื่องจากในการวัดจริง อุณหภูมิ ความดัน และปริมาณทางกายภาพอื่นๆ ที่วัดโดยเซ็นเซอร์ความดันจะไม่มีความสัมพันธ์เชิงเส้นที่เข้มงวดกับค่าเอาต์พุต ความสัมพันธ์เชิงฟังก์ชันจึงมักอยู่ในรูปแบบของพหุนาม พหุนามสามารถใช้เพื่อปรับสัญญาณที่ไม่เป็นเชิงเส้นได้ และกุญแจสำคัญคือการแก้ค่าสัมประสิทธิ์ของสัญญาณ

วิธีการเครือข่ายประสาทเทียม RBF หลักการพื้นฐาน: โดยปกติแล้ว วิธีการกำหนดสูตรในอัลกอริธึมซอฟต์แวร์การชดเชยอุณหภูมิจุดศูนย์จะค่อนข้างซับซ้อน และความแม่นยำในการติดตั้งมักถูกจำกัด วิธีโครงข่ายประสาทเทียมมีข้อได้เปรียบจากการสุ่มตัวอย่างจำนวนน้อย มีอัลกอริธึมแบบง่าย ความสามารถในการประมาณฟังก์ชันตามอำเภอใจ และโอกาสในการใช้งานที่ดี

นอกจากนี้ วิธีซอฟต์แวร์ยังรวมถึงวิธีการค้นหาตาราง วิธีการแก้ไข ฯลฯ

เพื่อลดผลกระทบจากการดริฟท์ ให้ใช้มาตรการต่อไปนี้:

1. รักษาอุณหภูมิให้คงที่: รักษาเซ็นเซอร์ให้อยู่ในสถานะอุณหภูมิคงที่ให้มากที่สุดเพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบจากความผันผวนของอุณหภูมิ
2. ใช้มาตรการชดเชยอุณหภูมิ: เพิ่มเซ็นเซอร์อุณหภูมิภายในเซ็นเซอร์เพื่อดำเนินการชดเชยการแก้ไขโดยการตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
3. เลือกวิธีการติดวัสดุพิมพ์ที่เหมาะสม: วิธีการติดวัสดุพิมพ์ที่เหมาะสมสามารถลดผลกระทบของความเค้นเชิงกลได้
4. เลือกเครื่องขยายเสียงอิสระ: ใช้เครื่องขยายเสียงอิสระเพื่อขยายสัญญาณ ซึ่งไม่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยภายนอกอื่นๆ และสามารถลดปัญหาการเบี่ยงเบนได้
5. ใช้เทคโนโลยีการสอบเทียบอัตโนมัติ: ด้วยการสอบเทียบอัตโนมัติ เซ็นเซอร์สามารถรักษาเอาต์พุตที่เสถียรภายใต้อุณหภูมิ ความชื้น และสภาพแวดล้อมอื่น ๆ
6. เลือกเซ็นเซอร์ความแม่นยำสูง: การเบี่ยงเบนของเซ็นเซอร์ความแม่นยำสูงมีขนาดเล็ก ซึ่งสามารถลดแรงกระแทกได้
7. ประมวลผลข้อมูลดริฟท์: ด้วยการรวบรวมข้อมูลในช่วงระยะเวลาหนึ่งและหาค่าเฉลี่ยของข้อมูลดริฟท์ ผลกระทบของการดริฟท์ต่อผลการวัดจะลดลง