Napaka kompenzacije tlačnega senzorja

Razumno nadomestilo napakSenzorji tlakaje ključ do njihove aplikacije. Tlačni senzorji imajo predvsem napako občutljivosti, napako odmika, napako histereze in linearno napako. Ta članek bo predstavil mehanizme teh štirih napak in njihov vpliv na rezultate testov. Hkrati bo uvedla metode kalibracije tlaka in primeri uporabe za izboljšanje natančnosti merjenja.

Trenutno je na trgu veliko različnih senzorjev, ki inženirjem oblikovanja omogočajo, da izberejo tlačne senzorje, potrebne za sistem. Ti senzorji vključujejo tako najosnovnejše transformatorje kot bolj zapletene visoko integracijske senzorje z vezji na čipu. Zaradi teh razlik si morajo inženirji oblikovanja prizadevati za kompenzacijo napak pri merjenju v tlačnih senzorjih, kar je pomemben korak pri zagotavljanju, da senzorji izpolnjujejo zahteve za oblikovanje in uporabo. V nekaterih primerih lahko nadomestilo izboljša tudi splošno delovanje senzorjev v aplikacijah.

Koncepti, obravnavani v tem članku, veljajo za oblikovanje in uporabo različnih tlačnih senzorjev, ki imajo tri kategorije:

1. osnovna ali nekompenzirana kalibracija;

2. Obstaja kalibracija in temperaturna kompenzacija;

3. Ima kalibracijo, kompenzacijo in ojačanje.

Odmik, kalibracija dometa in temperaturno kompenzacijo je mogoče doseči z omrežji tankega folije, ki med postopkom embalaže uporabljajo lasersko korekcijo. Ta senzor se običajno uporablja skupaj z mikrokontrolerjem, vgrajena programska oprema mikrokontrolerja pa vzpostavlja matematični model senzorja. Ko mikrokontroler prebere izhodno napetost, lahko model pretvori napetost v vrednost merjenja tlaka s transformacijo analognega-digitalnega pretvornika.

Najpreprostejši matematični model za senzorje je funkcija prenosa. Model je mogoče optimizirati v celotnem postopku umerjanja, njegova zrelost pa se bo povečala s povečanjem kalibracijskih točk.

Z metrološke perspektive ima napaka merjenja dokaj strogo definicijo: označuje razliko med izmerjenim pritiskom in dejanskim tlakom. Vendar pa običajno ni mogoče neposredno pridobiti dejanskega tlaka, vendar ga je mogoče oceniti z uporabo ustreznih tlačnih standardov. Metrologi običajno uporabljajo instrumente z natančnostjo vsaj 10 -krat višje od izmerjene opreme kot merilne standarde.

Zaradi dejstva, da lahko ne kalibrirani sistemi pretvorijo izhodno napetost v tlak le z uporabo značilnih občutljivosti in odmičnih vrednosti.

Ta nelibrizirana začetna napaka je sestavljena iz naslednjih komponent:

1. napaka občutljivosti: velikost ustvarjene napake je sorazmerna s tlakom. Če je občutljivost naprave višja od značilne vrednosti, bo napaka občutljivosti naraščajoča funkcija tlaka. Če je občutljivost nižja od značilne vrednosti, bo napaka občutljivosti zmanjšala funkcija tlaka. Razlog za to napako je posledica sprememb v postopku difuzije.

2. Napaka odmika: Zaradi konstantnega navpičnega odmika v celotnem območju tlaka bodo spremembe difformatorja transformatorja in korekcije laserskega prilagoditve povzročile napake po izračunu.

3. Napaka zaostajanja: V večini primerov lahko napako zaostajanja popolnoma prezremo, ker imajo silicijeve rezine visoko mehansko togost. Na splošno je treba napako histereze upoštevati le v situacijah, ko se močno spremeni pritisk.

4. Linearna napaka: To je dejavnik, ki ima razmeroma majhen vpliv na začetno napako, ki jo povzroča fizična nelinearnost silicijeve rezine. Vendar pa je za senzorje z ojačevalniki vključiti tudi nelinearnost ojačevalnika. Krivulja linearne napake je lahko konkavna krivulja ali konveksna krivulja.

Kalibracija lahko odpravi ali močno zmanjša te napake, medtem ko tehniki kompenzacije običajno zahtevajo določitev parametrov dejanske funkcije prenosa sistema, ne pa zgolj z uporabo značilnih vrednosti. Potentiometri, nastavljivi upori in druga strojna oprema se lahko uporabijo v postopku kompenzacije, medtem ko programska oprema lahko bolj prožno izvaja to delo kompenzacije napak.

Metoda kalibracije z enim točkam lahko nadomesti napake za izravnavo z odpravo premika na ničelni točki funkcije prenosa, ta vrsta kalibracijske metode pa se imenuje samodejna ničla. Kalibracija odmika se običajno izvaja pri ničelnem tlaku, zlasti pri diferencialnih senzorjih, saj je diferencialni tlak običajno 0 pod nominalnimi pogoji. Za čiste senzorje je kalibracija odmika težja, saj bodisi potrebuje sistem za odčitavanje tlaka, da izmeri svojo kalibrirano vrednost tlaka v atmosferskih pogojih atmosferskega tlaka ali regulator tlaka, da doseže želeni tlak.

Kalibracija ničelnega tlaka diferencialnih senzorjev je zelo natančna, ker je kalibracijski tlak strogo nič. Po drugi strani je natančnost umerjanja, ko tlak ni nič, odvisna od zmogljivosti tlačnega krmilnika ali merilnega sistema.

Izberite kalibracijski tlak

Izbira kalibracijskega tlaka je zelo pomembna, saj določa območje tlaka, ki dosega najboljšo natančnost. Dejansko se po kalibraciji dejanska napaka odmika zmanjša na kalibracijski točki in ostane pri majhni vrednosti. Zato je treba kalibracijsko točko izbrati na podlagi območja ciljnega tlaka, območje tlaka pa morda ni skladno z delovnim območjem.

Za pretvorbo izhodne napetosti v tlačno vrednost se tipična občutljivost običajno uporablja za umerjanje posameznih točk v matematičnih modelih, ker dejanska občutljivost pogosto ni znana.

Po izvedbi kalibracije odmika (PCAL = 0) krivulja napak prikazuje navpični odmik glede na črno krivuljo, ki predstavlja napako pred umerjanjem.

Ta metoda umerjanja ima strožje zahteve in večje stroške izvajanja v primerjavi z metodo kalibracije One točke. Vendar lahko ta metoda v primerjavi z metodo kalibracije točke znatno izboljša natančnost sistema, ker ne samo kalibrira odmik, ampak tudi umeri občutljivost senzorja. Zato lahko pri izračunu napak namesto atipičnih vrednosti uporabimo dejanske vrednosti občutljivosti.

Tu se kalibracija izvaja v pogojih 0-500 megapaskalov (celotna lestvica). Ker je napaka na kalibracijskih točkah blizu nič, je še posebej pomembno, da te točke pravilno nastavite, da dosežete minimalno merjenje napake v pričakovanem območju tlaka.

Nekatere aplikacije zahtevajo, da se vzdržuje velika natančnost v celotnem območju tlaka. V teh aplikacijah lahko za doseganje najbolj idealnih rezultatov uporabimo metodo kalibracije z več točkami. Pri metodi kalibracije v več točkah se upoštevajo ne samo napake odmika in občutljivosti, ampak tudi večina linearnih napak. Tu uporabljeni matematični model je popolnoma enak dvostopenjski kalibraciji za vsak interval kalibracije (med dvema kalibracijskima točkama).

Kalibracija s tremi točkami

Kot smo že omenili, ima linearna napaka dosledno obliko, krivulja napak pa ustreza krivulji kvadratne enačbe, s predvidljivo velikostjo in obliko. To še posebej velja za senzorje, ki ne uporabljajo ojačevalnikov, saj nelinearnost senzorja v bistvu temelji na mehanskih razlogih (ki jih povzroča tlak tankega filma silicijeve rezine).

Opis značilnosti linearnih napak je mogoče dobiti z izračunom povprečne linearne napake tipičnih primerov in določitvijo parametrov polinomne funkcije (a × 2+bx+c). Model, pridobljen po določitvi A, B in C, je učinkovit za senzorje iste vrste. Ta metoda lahko učinkovito kompenzira linearne napake brez potrebe po tretji kalibracijski točki.