Basınç sensörünün kaymasına ne sebep olur?

• Giriş: Çok sayıda basınç sensörü kullanıyoruz ve sıklıkla basınç sensörlerinin bir süre kullanımdan sonra saptığını görüyoruz. Basınç sensörünün kaymasına ne sebep olur? Tasarım sırasında basınç sensörü sapmasını nasıl ortadan kaldırabiliriz?

Sensör kaymasının nedenleri

Sensör sapması, sensörün çıkış değerinin zamanla değişmesi olgusunu ifade eder. Bu sapma, hatalı sensör ölçüm sonuçlarına neden olarak pratik uygulamalardaki güvenilirliğini ve kararlılığını etkileyebilir. Aşağıda tek tek tanıtılacak olan sensör kaymasının birçok nedeni vardır.

1. Sıcaklık değişimi: Sıcaklık değişimi sensör kaymasının yaygın nedenlerinden biridir. Sıcaklık değişiklikleri sensör elemanının içindeki malzemenin genleşmesine ve büzülmesine neden olabilir, bu da sensörün mekanik yapısını ve elektriksel özelliklerini etkileyerek çıkış değerinin sapmasına neden olabilir. Örneğin sıcaklıktaki bir artış direnç sensörünün direnç değerini artıracak ve bu da daha yüksek bir çıkış değeriyle sonuçlanacaktır.
2. Güç kaynağı değişiklikleri: Sensörün çıkış değeri, besleme voltajından etkilenir. Besleme voltajı değiştiğinde sensörün çıkış değeri de değişecektir. Bunun nedeni, besleme voltajındaki değişikliklerin sensörün iç devresinin çalışma durumunun değişmesine neden olması ve bunun da çıkış sinyalinin genliğini ve stabilitesini etkilemesidir.
3. Uzun süreli kullanım: Uzun süreli kullanım da sensör kaymasının önemli bir nedenidir. Kullanım sırasında sensör mekanik, kimyasal veya termal genleşme ve büzülme faktörlerinden etkilenerek iç yapısında değişikliklere neden olabilir ve bu da çıkış değerinin kaymasına neden olabilir. Ayrıca sensör, titreşim ve darbe gibi dış çevresel faktörlerden de etkilenerek sürüklenme olayını daha da kötüleştirebilir.
4. Sensör yaşlanması: Zamanla sensörün performansı giderek düşebilir ve sapma meydana gelebilir. Bunun nedeni, kullanım süresi arttıkça sensörün içindeki malzeme ve bileşenlerin eskimesi ve fiziksel özelliklerinin değişmesine neden olmasıdır. Örneğin, sensörün içindeki elektrolit yavaş yavaş tükenerek hassasiyetinin ve stabilitesinin azalmasına neden olur ve bu da çıkış değerinin sapmasına neden olur.
5. Çevresel etki: Sensörün kayması çevresel faktörlerden de etkilenebilir. Örneğin hava basıncı, nem, ışık gibi çevresel faktörlerdeki değişiklikler sensör çıkış değerinin kaymasına neden olabilir. Bunun nedeni, çevresel faktörlerdeki değişikliklerin sensör ile ölçülecek nesne arasındaki etkileşimi değiştirmesi ve dolayısıyla sensörün ölçüm doğruluğunu ve stabilitesini etkilemesidir.

Basınç sensörlerinin geliştirilmesinin ilk günlerinde, dağınık silikon çipi ve metal tabanı kapatmak için cam tozu kullanıldı. Dezavantajı ise basınç çipi çevresinde büyük bir gerilimin bulunması ve tavlama sonrasında bile gerilimin tamamen ortadan kaldırılamamasıydı. Sıcaklık değiştiğinde, metal, cam ve dağınık silikon çiplerin farklı termal genleşme katsayıları nedeniyle termal stres oluşturulacak ve sensörün sıfır noktasının kaymasına neden olacaktır. Bu nedenle sensörün sıfır noktası termal kayması, çipin sıfır noktası termal kaymasından çok daha büyüktür. Gümüş pasta ve terminal kaynağı doğru şekilde yapılmazsa dengesiz kontak direncine neden olmak kolaydır. Özellikle sıcaklık değiştiğinde temas direncinin değişme olasılığı daha yüksektir. Bu faktörler, sensörün büyük sıfır noktası kaymasının ve sıcaklık kaymasının nedenleridir.

Sıfır noktası termal kaymasının nedeninin yarı iletken teorisi analizi: Yalnızca direncin katkı konsantrasyonu ve direnç değeri tutarlı olduğunda, köprünün sıfır noktası çıkış voltajı küçük olabilir ve sıfır noktası termal kayması da küçük olabilir; bu, sensörün performansını artırmak için çok faydalıdır. Ancak difüzyon sırasında düzgün katkılama dağılımı elde etmek kolay olmadığından varistör şeritlerinin mümkün olduğu kadar yakın ve mümkün olduğu kadar kısa olması gerekmektedir.

Sıfır nokta termal kaymanın nedeninin devre analizi: İdeal olarak Wheatstone köprüsünü oluşturan dört dağınık direncin direnç değerleri eşit olmalıdır. Sıfır noktası sıcaklık kayması, difüze direnç değerinin sıcaklıkla değişmesinden kaynaklanır. Belirli bir sıcaklık aralığında sıcaklık arttıkça direnç değeri artar, yani dağınık direncin sıcaklık katsayısı R pozitiftir.

Sensör kayması sorunlarına çözümler

Genel olarak, basınç sensörlerinin sıfır sapma telafisi iki yöne ayrılabilir: donanım telafisi ve yazılım telafisi.

Donanım sıfır telafi yöntemi:
Köprü kolunda seri ve paralel olarak uygun sabit direnç yöntemi: köprü kolu termistör kompanzasyon yöntemi, köprü harici seri ve paralel termistör kompanzasyon yöntemi, çift köprü kompanzasyon teknolojisi, transistör kompanzasyon teknolojisi vb.

Devre tasarımını optimize edin: Makul devre tasarımı sensör kaymasının etkisini azaltabilir. Örneğin, sıcaklık dengeleme devresinin kullanılması, sıcaklık değişikliklerinin sensör çıkış değerleri üzerindeki etkisini düzeltebilir ve ölçüm doğruluğunu ve kararlılığını geliştirebilir. Ayrıca güç kaynağı değişikliklerinin ve çevresel müdahalelerin sensörler üzerindeki etkisini ortadan kaldırmak için filtreleme ve amplifikasyon gibi devre tasarım yöntemleri de kullanılabilir.

Yazılım telafisi sıfır sapma yöntemi: Sinyal edinme sürecinde, tetikleyici sinyalin oluşmadığı andan, edinimin tetiklendiği ana kadar ve edinim tamamlandıktan sonra giriş sinyali sıfırdır ve çıkış sinyali sıfır değildir. Toplanan bu çıktı verileri, veri hesaplama ve işleme açısından anlamsız olan rastgele gürültü biçiminde bulunur. Bu dönemde toplanan sinyal değerini sıfır kayma olarak tanımlıyoruz.

Benimsenen yazılım yöntemleri şunlardır:

Polinom uydurma belirleme yöntemi. Gerçek ölçümde, basınç sensörü tarafından ölçülen sıcaklık, basınç ve diğer fiziksel büyüklükler, çıkış değeri ile kesin bir doğrusal ilişkiye sahip olmayacağından, fonksiyonel ilişki genellikle bir polinom biçimindedir. Polinomlar doğrusal olmayan sinyallere uymak için kullanılabilir ve anahtar bunların katsayılarını çözmektir.

RBF sinir ağı yöntemi. Temel prensip: Genellikle sıfır noktası sıcaklık telafisi yazılım algoritmasındaki formül yöntemi nispeten karmaşıktır ve uydurma doğruluğu sıklıkla sınırlıdır. Yapay sinir ağı yöntemi, az sayıda örnek, basit bir algoritma, keyfi fonksiyonlara yaklaşma yeteneği ve iyi uygulama olanakları gibi avantajlara sahiptir.

Ayrıca yazılım yöntemi tablo arama yöntemini, enterpolasyon yöntemini vb. de içerir.

Sürüklenmenin etkisini azaltmak için aşağıdaki önlemler alınabilir:

1. Sıcaklığı sabitleyin: Sıcaklık dalgalanmalarının etkisini önlemek için sensörü mümkün olduğunca sabit bir sıcaklık durumunda tutun.
2. Sıcaklık telafisi önlemlerini kullanın: Sıcaklık değişikliklerini algılayarak düzeltme telafisi gerçekleştirmek için sensörün içine bir sıcaklık sensörü ekleyin.
3. Uygun bir alt tabaka bağlama yöntemi seçin: Uygun bir alt tabaka bağlama yöntemi, mekanik stresin etkisini azaltabilir.
4. Bağımsız bir amplifikatör seçin: Sinyali yükseltmek için diğer dış faktörlerden etkilenmeyen ve sapma sorunlarını azaltabilecek bağımsız bir amplifikatör kullanın.
5. Otomatik kalibrasyon teknolojisini kullanın: Otomatik kalibrasyon sayesinde sensör farklı sıcaklık, nem ve diğer ortamlarda istikrarlı bir çıktı sağlayabilir.
6. Yüksek hassasiyetli bir sensör seçin: Yüksek hassasiyetli bir sensörün sapması küçüktür ve bu da etkiyi azaltabilir.
7. Sürüklenme verilerini işleyin: Belirli bir süre boyunca veri toplayarak ve sürüklenme verilerinin ortalamasını alarak, sürüklenmenin ölçüm sonuçları üzerindeki etkisi azaltılabilir.