Genel olarak dijital işlemeden önce, basınç sensörleri genellikle aşağıdaki gibi özellikleri tanımlar: histerezis (basınç, sıcaklık), doğrusallık, sıcaklık katsayısıve ürün özelliklerindeki diğer karakteristik parametreler. Bununla birlikte, dijital işlemeden sonra, basınç sensörleri veya vericileri, çıkış sinyali özelliklerini detaylandırırken tipik olarak artık bu parametre göstergelerini açıklamamaktadır; bunun yerine genel ölçüm doğruluğu parametrelerini sağlarlar. Bu fark, dijital işlemenin histerezis gibi özellikleri ortadan kaldırabilmesinden değil, dijital işlemeden sonra histerezis gibi belirli karakteristiklerin sensör elemanının ölçüm sinyalinden mi yoksa donanım yazılımının işlemesinden mi kaynaklandığını ayırt etmenin zorlaşmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle, neden olduğu ölçüm hatalarını birleştirmek genellikle daha mantıklıdır. histerezis, sıcaklık özellikleri ve nicemleme süreci ürünün nihai ölçüm doğruluğu, hatası ve uzun vadeli kararlılık özelliklerine dönüştürülür.
Katalog
Sensör Hataları
Ölçme olduğu sürece hataların da olması kaçınılmazdır. Belirli uygulamalar için hatalar mevcut olsa bile, bunlar bir anlamda görecelidir. Hata kabul edilebilir bir aralıkta olduğu sürece tolere edilebilir ve profesyonel kullanıcılar genellikle şu prensibi takip eder: “Önce yeterlilik, sonra tercih” sensörleri seçerken. Basınç sensörü uygulamalarında endişe konusu olan özellikler aşağıdakileri içerir, ancak bunlarla sınırlı değildir:
- Basınç Ölçüm Aralığı: FSO-kPa (fark basıncı/statik basınç, gösterge basıncı/kapalı gösterge basıncı, mutlak basınç)
· Basınç Ölçüm Hatası: ±kPa
· Ölçüm Çözünürlüğü: kPa/bit
· Çalışma Gerilimi/Akımı
· Depolama ve Çalışma Sıcaklığı Aralığı, ölçüm ortamı
· Basınç Tepki Özellikleri, tekrarlanabilirlik, uzun vadeli istikrar
Bu basınç parametrelerinin altında, basıncı elektrik sinyaline dönüştürebilen sensörün çekirdeği veya modülü bulunur. Basıncı ölçmek için birden fazla prensip vardır, ancak her prensip tüm basınç türlerini ve aralıklarını kapsayamaz. Bu ilkeler şunları içerir:
- Piezoresistif
- Püskürtme İnce Film
- Silikon Rezonansı
- Kapasitif
- Girdap Akımı
- Kuvvet Dengesi, Erimiş Kuvars Bourdon Tüpü
- Gerinim Ölçer …
Aşağıda basınç sensörleri için kısa bir hata analizi verilmiştir. piezoresistif prensip.
Figür-1: İtibaren silikon çip ile çeşitli ambalaj uygulamaları ile ilgili piezo dirençli basınç sensörleri
Şekil-1'de çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılan çeşitli tipik formlar listelenmiştir. piezo dirençli basınç sensörleri Çıplak kalıplardan çeşitli ambalaj türlerine kadar. Bazı ürün türlerinin yalnızca dış ambalajı vardır; bazılarının karşılık gelen aralık dahilinde sıcaklık dengelemeli ve değiştirilebilirlik için kalibre edilmiş analog sinyal çıkışları vardır; bazıları analog sinyali daha da güçlendirir; ve diğerleri çıktı almadan önce dijital işlem gerçekleştirir. Ayrıca, dijital kalibrasyondan sonra endüstride yaygın olarak uygulanan ilgili arayüz protokollerini kullanan basınç vericilerinin yanı sıra otomotiv, tıp ve diğer endüstriler için sıcaklık veya gaz sensörleri gibi diğer sensörleri içeren entegre modüller de vardır. Ek olarak bazı cihazlar, diğer fiziksel büyüklükleri belirlemek için ölçülen ortamın basınç özelliklerini kullanır (örneğin, düşük basınç bazlı akış sensörleri). fark basınç sensörleri vantilatörlerde kullanılır.
Genel olarak konuşursak, dijital işlemeden önce, basınç sensörleri genellikle aşağıdaki gibi özellikleri tanımlar: histerezis (basınç, sıcaklık), doğrusallık, Ve sıcaklık katsayısı spesifikasyon bölümlerinde. Ancak dijital işlemeden sonra, basınç sensörleri veya vericileri genellikle çıkış sinyali özelliklerini detaylandırırken bu göstergeleri açıklamaz, bunun yerine genel bilgi sağlar. ölçüm doğruluğu parametreler. Bu fark, dijital işlemenin aşağıdaki gibi özellikleri ortadan kaldırabilmesinden kaynaklanmıyor: histerezisancak dijital işleme sonrasında özelliklerin (örn. histerezis) sensör elemanının ölçüm sinyalinden mi yoksa donanım yazılımının kendisinden mi kaynaklandığını ayırt etmek zorlaştığı için. Bu nedenle ölçüm hatalarından kaynaklanan histerezis ve sıcaklık özellikleri, niceleme hatalarıyla birlikte, genellikle nihai ürün spesifikasyonlarında birleştirilir. ölçüm doğruluğu, hata ve uzun vadeli istikrar.
Dijital koşullandırma genellikle sensör köprüsünün simetrisine nadiren hitap eder. etkisi dikkate alınırsa telafi etmek sıfır yük noktasındaki dağıtım piezo dirençli basınç sensörü Ön uç amplifikasyon devresinin kazancının yanı sıra sonraki ADC'nin kazanç değişimlerinden dolayı etkin sinyal (FSO) çözünürlüğü üzerindeki etkisi konusunda kapsamlı bir yaklaşım gereklidir. Dijital işlemden sonra gerekmedikçe telafi etmek Belirtilen sıfır noktasından hesaplanır.
ADC işleme katılmadan önce analog kompanzasyon ve kalibrasyon, simetriyi (0 noktası) geliştirerek ürün değiştirilebilirliğini önemli ölçüde artırabilir. telafi etmek çıkış 0V'a yaklaşıyor), sıcaklık hassasiyetive çıktı tutarlılığı. Dolayısıyla her iki yöntemin de kendine has özellikleri bulunmaktadır. Basınç sensörlerinin sonraki hata analizinde, dijital işlemden sonra olanlar yerine yalnızca direnç ağları kullanılarak sıcaklık telafisi ve kalibrasyona tabi tutulan basınç ürünleri tartışılacaktır.
Özelliklerine dayanarak piezo dirençli basınç sensörlerihata tedavisi genellikle iki türe ayrılır:
- Telafi Edilebilir Hatalar (Genellikle sıcaklık etkilerinden kaynaklanır ve tekrarlanabilir)
- Telafi Edilemez Hatalar (genellikle basınç, sıcaklık ve paketleme stresinden kaynaklanır ve tekrarlanamaz)
Elbette, hatanın telafi edilebilir kısmı için bile, farklı telafi yöntemleri, değişen derecelerde hata gidermeyi başarabilir.
Figür-2: Çıktının karşılaştırılması özellikler (yeşil) piezo dirençli basınç sensörünün sabit sıcaklık ile ideal basınç sensörü çıktı (mavi)
Sonraki hata analizi için Şekil-2, bir sistemin genel çıktı özelliklerini göstermektedir. piezo dirençli basınç sensörü. Şekilde kullanılan terimler aşağıdaki gibidir:
- Sıfır: İdeal referans sıfır noktası
- Telafi etmek: Gerçek sıfır yük çıkış sapması, yani sıfır yük uygulandığında çıkış voltajı
- FSO: Tam Ölçekli Çıkış, tam ölçekli basınçtan sıfır noktasına kadar çıkış sinyalindeki fark
- BFSLNL: En Uygun Düz Çizgiye Göre Doğrusal Olmama
Sensör Özellikleri ve Hata Analizi
Daha sonra, orta basınçlı 40kPa'ya ayrıntılı bir göz atacağız. piezo dirençli basınç sensörü WF markasından. Paketleme, kalibrasyon ve sıcaklık telafisi 316L paslanmaz çelik basınç modülü kullanıldığında parametreler aşağıdaki gibidir:
Tablodaki veriler (örn. ±%1 FS, vb.) genellikle "kalibrasyon/telafi sonrasında" elde edilen nihai doğruluktur., tekrarlanabilir sıcaklık hatalarının çoğu, kazanç hataları, sıfır önyargı vb. için zaten düzeltilmiştir. Gerçek "kalibre edilmemiş" sapma genellikle başlangıçtaki sıfır noktası, hassasiyet, paket gerilimi vb. dahil olmak üzere çeşitli dağılım türlerini hesaba katar ve bunlar kolayca ± FS'den daha fazlasına kadar çıkabilir.
Gerçek “kalibre edilmemiş" sapma genellikle başlangıçtaki sıfır, hassasiyet, paket gerilimi vb. dahil olmak üzere çeşitli dağılım türlerini hesaba katar ve bunlar kolayca ± FS'den fazlaya kadar çıkabilir.
Bu nedenle çoğu üretici yalnızca kalibre edilmiş veya telafi edilmiş birleşik doğruluğu listeler (örn. %1 FS, %2 FS) onların “nihai özellikler” ve nihai ürün veri sayfasında doğrudan ne kadar olduğunu belirtmeyin. ±% FS hatası “orijinalolabilir.
Hatayı Etkileyen Faktörler
Tipik hata etkileri referansı içerir voltaj hataları, amplifikatör hataları, sensör hatalarıve etkisi gürültü Ölçüm doğruluğu hakkında.
(1) Referans voltajı hatası
Referans voltajı gerçek ölçüm değeriyle karşılaştırmak için kullanılırdolayısıyla bu referans voltajının gerçek değeri çok önemlidir ve bu temel ölçüm hatasını düzeltmek için referans voltajının periyodik kalibrasyonu veya yazılım kalibrasyonu gerekir. 0°C ila 25°C'de 100 ppm/°C'lik bir sıcaklık katsayısı, 2500 ppm'ye kadar veya tam ölçek aralığının %0,25'ine kadar bir hataya sahip olacaktır.
(2) Amplifikatör Hatası
İşlemsel yükselteçler, faz dışı sıfır kayması ve diğer nedenlerden dolayı hatalara neden olabilir. Ölçüm doğruluğunu etkileyecek sensör sinyali girişi işlem yükselticisi. Basınç sensörleri, basınç sensörleri gibi, örneğin 20 mV'luk tam ölçekli bir sinyal %5 ofsete, yani 1 mV giriş ön gerilimine sahip olacaktır. Bu giriş yanlılığı hatası doğrudan ölçüm doğruluğunu azaltabilir, A/D dönüştürücünün yeterli dinamik aralığı ile bu hatayı ortadan kaldıracak yazılımı kullanmak mümkündür.
(3) Sensör Hatası
İşleme nedeniyle sensörlerin ideal duruma ulaşması pek olası değildir ve hatalar meydana gelebilir. Sensör hatalarını düzeltmek zor olabilir. Örneğin, basınç sensörleri söz konusu olduğunda, üretim süreci sırasında doğrusal olarak kalibre edilmiş olsalar bile, uygulamadaki farklı cihazlar arasında çıktı ölçek faktöründeki değişimin miktarı hala yüksektir. Basınç sensörünün referans voltajı genellikle bir Whiston köprüsü aracılığıyla orantılı bir ölçüm yöntemi üreten uyarma tarafından üretilir, bu da sürüklenme hatasını bir dereceye kadar ortadan kaldırır, ancak köprü birbirine tamamen simetrik olamayacağından yine de üretilen bir öngerilim voltajı olacaktır. Basınç sensörünü örnek alırsak, 1 alçak basınç sensörünün ofseti, öngerilim hatası büyük ölçüde köprü asimetrisinden kaynaklanmaktadır.
(4) Gürültü efektleri
Gürültünün, yakındaki yüksek hızlı dijital mantık devrelerinden, güç kaynaklarından, fan motorlarından, solenoid valflerden ve RF EMI'dan gelen birleşik gürültü dahil olmak üzere birçok kaynağı vardır. Uygun topraklama tasarımı, ekranlama yöntemleri ve pano düzeni ile gürültü azaltılabilir. Ek olarak, gürültüyü en aza indiren ve yeterli kazanç bant genişliğine sahip işlemsel yükselteçler seçilebilir. İşlemsel yükselteçler, sınırsız bir bant genişliği (geniş bant genişliği) veya tanımlanmış bir bant genişliği üzerindeki sinyallerin ölçümünden belirlenen, ortaya çıkan gürültü miktarı temel alınarak değerlendirilebilir.
A/D Dönüştürücüler
Bir A/D dönüştürücü kullanıldığında arka plan gürültüsü mevcut ölçüm doğruluğunda belirleyici bir faktördür. Bir cihaz 24 bit çözünürlük için derecelendirildiğinde, dönüştürücünün elde ettiği gerçek doğruluk, gürültünün neden olduğu sınırlamalar nedeniyle genellikle daha düşüktür. Burada etkili bit ile çok düşük gürültü değeri arasında bir ayrım yapılması gerekir; burada etkin bit spesifikasyonu, gürültü seviyesi RMS değerinden hesaplanır ve çok düşük gürültü değeri, tipik olarak istatistiksel RMS değerinin 6,6 katına karşılık gelen tepeden tepeye değere dayanır. Bu nedenle, çok düşük gürültü özelliği, arka plan gürültüsünün üzerindeki LSB bitlerinde sabit kalan dönüştürücünün etkili çözünürlüğünü gösterir. Referans voltajı ve giriş aralığı gibi uygulamadan uygulamaya değişiklik gösterebilen ve veri sayfası vaatleri gerçek orandan önemli ölçüde farklı olabilen spesifikasyondaki sınırlamalara da özel dikkat gösterilmesi gerekir.
Operasyonel Yükselteçler
Bir amplifikatörün aynı anda düşük gürültü ve yüksek kazanç elde etmesi zordur.. Daha sonra amplifikatörün gürültü seviyesini hatasıyla aynı aralığa getirmek gerekir. Tüm yarı iletken amplifikatörler, malzemeden kaynaklanan temel bir olgu olan, titreşim gürültüsü olarak da bilinen 1/f gürültüye sahiptir. Frekansın aksine, belirli bir gürültü bükülme noktasının altında gürültü yoğunluğu katlanarak artar ve düşük frekanslarda çok büyük olur. Çok az amplifikatör, düşük gürültü ve yüksek kazanç özelliklerinin bu kombinasyonunu tek bir çipte düşük maliyetle gerçekleştirebilir.
Düşük gürültü ve yüksek kazanç elde etmek için, yüksek giriş empedansına sahip giriş amplifikatörleri, giriş hatası düzeltme devresi ve istenen kazancı elde etmek için ikinci (veya üçüncü) dengeleme amplifikatörünün bir kombinasyonu kullanılarak hibrit çoklu amplifikatör devreleri tasarlanabilir. Bir parametreye odaklanan yükselticiler çoğu zaman diğer alanlarda ciddi sorunlar ortaya çıkarmaktadır.
Son Düşünceler
Bu nedenle pratik uygulamalarda doğrudan bir satın alma işlemi gerçekleştirirsek kalibre edilmemiş çıplak kalıp veya basitçe paketlenmiş Piezodirençli basınç sensörünü devre tasarımı ve sıcaklık telafisini kendimiz halledersek, bir sorunla karşılaşabiliriz. önemli başlangıç dengelemesi. Ancak eğer bir tane satın alırsak dijital olarak dengelenmiş/kalibre edilmiş Dahili dengelemeli basınç sensörü veya vericisi ile doğrudan elde edebiliriz. daha küçük genel hata (örneğin ±%1 FS) veri sayfasında belirtilmiştir.
Yukarıdaki giriş, basınç sensörü teknolojisi uygulamalarının yalnızca yüzeyini çizmektedir. Çeşitli ürünlerde kullanılan farklı sensör elemanları türlerini, bunların nasıl çalıştığını, avantajlarını ve dezavantajlarını keşfetmeye devam edeceğiz. Burada tartışılanlar hakkında daha fazla ayrıntı istiyorsanız bu kılavuzun ilerleyen bölümlerindeki ilgili içeriğe göz atabilirsiniz. Eğer vaktiniz kısıtlıysa bu kılavuzun detaylarını indirmek için buraya da tıklayabilirsiniz. Hava Basınç Sensörü Ürünü PDF verileri.
Diğer sensör teknolojileri hakkında daha fazla bilgi için lütfen Sensörler sayfamızı ziyaret edin.