Вступ. Ми використовуємо багато датчиків тиску, і ми часто виявляємо, що датчики тиску дрейфують після періоду використання. Що спричиняє зміщення датчика тиску? Як ми можемо усунути дрейф датчика тиску під час проектування?
Причини дрейфу датчика
Дрейф датчика означає явище, коли вихідне значення датчика змінюється з часом. Цей дрейф може спричинити неточні результати вимірювання датчика, впливаючи на його надійність і стабільність у практичних застосуваннях. Існує багато причин дрейфу датчика, які будуть описані нижче.
Зміна температури: зміна температури є однією з поширених причин дрейфу датчика. Зміни температури можуть спричинити розширення та звуження матеріалу всередині сенсорного елемента, що, у свою чергу, впливає на механічну структуру та електричні характеристики датчика, викликаючи дрейф вихідного значення. Наприклад, підвищення температури збільшить значення опору датчика резистора, що призведе до більш високого вихідного значення.
Зміни джерела живлення: на вихідне значення датчика впливає напруга живлення. При зміні напруги живлення вихідне значення датчика також зміниться. Це пояснюється тим, що зміни напруги живлення призведуть до зміни робочого стану внутрішньої схеми датчика, що, у свою чергу, впливає на амплітуду та стабільність вихідного сигналу.
Тривале використання: Тривале використання також є важливою причиною дрейфу датчика. Під час використання на датчик можуть впливати фактори механічного, хімічного або теплового розширення та звуження, що спричиняє зміни у його внутрішній структурі, що, у свою чергу, спричиняє дрейф вихідного значення. Крім того, на датчик також можуть впливати зовнішні фактори навколишнього середовища, такі як вібрація та удари, що ще більше посилює явище дрейфу.
Старіння датчика: з часом продуктивність датчика може поступово знижуватися та може виникати дрейф. Це пояснюється тим, що матеріали та компоненти всередині датчика старіють зі збільшенням часу використання, що призводить до зміни його фізичних властивостей. Наприклад, електроліт всередині датчика буде поступово витікати, що призведе до зниження його чутливості та стабільності, що, у свою чергу, спричинить дрейф вихідного значення.
Вплив навколишнього середовища: на дрейф датчика також можуть впливати фактори навколишнього середовища. Наприклад, зміни факторів навколишнього середовища, таких як тиск повітря, вологість і освітленість, можуть призвести до відхилення вихідного значення датчика. Це пояснюється тим, що зміни факторів навколишнього середовища змінюють взаємодію між датчиком і об’єктом вимірювання, тим самим впливаючи на точність вимірювання та стабільність датчика.
На початку розробки датчиків тиску скляний порошок використовувався для герметизації розсіяного кремнієвого чіпа та металевої основи. Недоліком було те, що було велике напруження навколо чіпа тиску, і навіть після відпалу напругу не можна було повністю усунути. Коли температура змінюється, через різні коефіцієнти теплового розширення металевих, скляних і розсіяних кремнієвих чіпів буде генеруватися теплова напруга, що спричинить дрейф нульової точки датчика. Ось чому температурний дрейф нульової точки датчика набагато більший, ніж температурний дрейф нульової точки мікросхеми. Якщо срібну пасту та зварювання клем не обробляти належним чином, можна легко спричинити нестабільний контактний опір. Особливо, коли температура змінюється, більш імовірно, що контактний опір зміниться. Ці фактори є причинами великого дрейфу нульової точки та температурного дрейфу датчика.
Аналіз напівпровідникової теорії причини теплового дрейфу нульової точки: лише коли концентрація легування та значення опору резистора узгоджені, вихідна напруга нульової точки моста може бути малою, а тепловий дрейф нульової точки також невеликий, що дуже корисно для покращення продуктивності датчика. Однак досягти рівномірного розподілу легування під час дифузії нелегко, тому смужки варисторів повинні бути якомога ближчими та якомога коротшими.
Аналіз схеми причини теплового дрейфу нульової точки: в ідеалі значення опору чотирьох розсіяних резисторів, які утворюють міст Уітстона, повинні бути рівними. Температурний дрейф нульової точки спричинений зміною значення розсіяного резистора з температурою. У певному діапазоні температур величина опору зростає зі збільшенням температури, тобто температурний коефіцієнт R розсіяного резистора позитивний.
Рішення проблем дрейфу датчика
Загалом компенсацію нульового дрейфу датчиків тиску можна розділити на два напрямки: апаратну компенсацію та програмну компенсацію.
Метод апаратної нульової компенсації: Відповідний метод постійного опору послідовно та паралельно на плечі мосту: метод компенсації термістором плеча мосту, метод компенсації зовнішнього послідовного та паралельного термістора, технологія компенсації подвійного мосту, технологія компенсації транзистора тощо.
Оптимізація конструкції схеми: Розумна конструкція схеми може зменшити вплив дрейфу датчика. Наприклад, використання схеми температурної компенсації може виправити вплив зміни температури на вихідні значення датчика та підвищити точність і стабільність вимірювань. Крім того, методи проектування схем, такі як фільтрація та підсилення, також можуть бути використані для усунення впливу змін джерела живлення та зовнішнього впливу на датчики.
Метод програмної компенсації нульового дрейфу: У процесі отримання сигналу, від моменту, коли тригерний сигнал не виникає, до моменту, коли збирання запускається, і після завершення збору вхідний сигнал дорівнює нулю, а вихідний сигнал не дорівнює нулю. Ці зібрані вихідні дані існують у формі випадкового шуму, який не має сенсу для обчислення та обробки даних. Ми визначаємо значення сигналу, зібране протягом цього періоду, як дрейф нуля.
Використані програмні методи:
Метод специфікації поліноміальної підгонки. Оскільки під час фактичного вимірювання температура, тиск та інші фізичні величини, виміряні датчиком тиску, не матимуть чіткої лінійної залежності від вихідного значення, функціональна залежність часто має форму полінома. Поліноми можна використовувати для підгонки нелінійних сигналів, і ключем є розв’язання їхніх коефіцієнтів.
Метод нейронної мережі RBF. Основний принцип: Зазвичай метод формули в програмному алгоритмі температурної компенсації нульової точки є відносно складним, і точність підгонки часто обмежена. Перевагами методу штучної нейронної мережі є невелика кількість вибірок, простий алгоритм, можливість апроксимації довільних функцій і хороші перспективи застосування.
Крім того, програмний метод також включає метод таблиці пошуку, метод інтерполяції тощо.
Щоб зменшити вплив дрейфу, можна вжити наступних заходів:
Стабілізація температури: утримуйте датчик у стані постійної температури, наскільки це можливо, щоб уникнути впливу коливань температури.
Використовуйте заходи компенсації температури: додайте датчик температури всередину датчика, щоб виконувати компенсацію корекції шляхом визначення змін температури.
Виберіть відповідний метод скріплення підкладки: відповідний метод склеювання підкладки може зменшити вплив механічних навантажень.
Виберіть незалежний підсилювач: Використовуйте незалежний підсилювач для посилення сигналу, на який не впливають інші зовнішні фактори та який може зменшити проблеми дрейфу.
Використовуйте технологію автоматичного калібрування: за допомогою автоматичного калібрування датчик може підтримувати стабільний результат за різних температур, вологості та інших середовищ.
Виберіть високоточний датчик: дрейф високоточного датчика невеликий, що може зменшити вплив.
Обробка даних дрейфу. Збираючи дані за певний період часу та усереднюючи дані дрейфу, можна зменшити вплив дрейфу на результати вимірювань.
