Compensazione di errore ragionevole disensori di pressioneè la chiave della loro applicazione. I sensori di pressione hanno principalmente un errore di sensibilità, errore di offset, errore di isteresi ed errore lineare. Questo articolo introdurrà i meccanismi di questi quattro errori e il loro impatto sui risultati dei test. Allo stesso tempo, introdurrà metodi di calibrazione della pressione ed esempi di applicazione per migliorare l'accuratezza della misurazione.
Allo stato attuale, ci sono un'ampia varietà di sensori sul mercato, che consente agli ingegneri di progettazione di scegliere i sensori di pressione necessari per il sistema. Questi sensori includono sia i trasformatori più basilari sia i sensori di integrazione elevata più complessi con circuiti su chip. A causa di queste differenze, gli ingegneri di progettazione devono sforzarsi di compensare gli errori di misurazione nei sensori di pressione, che è un passo importante per garantire che i sensori soddisfino i requisiti di progettazione e applicazione. In alcuni casi, la compensazione può anche migliorare le prestazioni complessive dei sensori nelle applicazioni.
I concetti discussi in questo articolo sono applicabili alla progettazione e all'applicazione di vari sensori di pressione, che hanno tre categorie:
1. Calibrazione di base o non compensata;
2. Vi è calibrazione e compensazione della temperatura;
3. Ha calibrazione, compensazione e amplificazione.
La compensazione di offset, calibrazione dell'intervallo e temperatura può essere raggiunta attraverso reti di resistenza a film sottile, che utilizzano la correzione del laser durante il processo di imballaggio. Questo sensore viene generalmente utilizzato insieme a un microcontrollore e il software incorporato del microcontrollore stesso stabilisce il modello matematico del sensore. Dopo che il microcontrollore legge la tensione di uscita, il modello può convertire la tensione in un valore di misurazione della pressione attraverso la trasformazione del convertitore da analogico a digitale.
Il modello matematico più semplice per i sensori è la funzione di trasferimento. Il modello può essere ottimizzato durante l'intero processo di calibrazione e la sua maturità aumenterà con l'aumento dei punti di calibrazione.
Dal punto di vista metrologico, l'errore di misurazione ha una definizione abbastanza rigorosa: caratterizza la differenza tra la pressione misurata e la pressione effettiva. Tuttavia, di solito non è possibile ottenere direttamente la pressione effettiva, ma può essere stimato utilizzando standard di pressione appropriati. I metrologi di solito usano strumenti con una precisione almeno 10 volte superiore rispetto alle apparecchiature misurate come standard di misurazione.
A causa del fatto che i sistemi non calibrati possono solo convertire la tensione di uscita in pressione usando la sensibilità tipica e i valori di offset.
Questo errore iniziale non calibrato consiste nei seguenti componenti:
1. Errore di sensibilità: l'entità dell'errore generato è proporzionale alla pressione. Se la sensibilità del dispositivo è superiore al valore tipico, l'errore di sensibilità sarà una funzione crescente della pressione. Se la sensibilità è inferiore al valore tipico, l'errore di sensibilità sarà una funzione decrescente della pressione. Il motivo di questo errore è dovuto a cambiamenti nel processo di diffusione.
2. Errore di offset: a causa dell'offset verticale costante in tutto l'intero intervallo di pressione, le variazioni della diffusione del trasformatore e la correzione della regolazione del laser comporteranno errori di offset.
3. Errore di ritardo: nella maggior parte dei casi, l'errore di ritardo può essere completamente ignorato perché i wafer di silicio hanno un'elevata rigidità meccanica. In generale, l'errore di isteresi deve solo essere considerato in situazioni in cui vi è un cambiamento significativo di pressione.
4. Errore lineare: questo è un fattore che ha un impatto relativamente piccolo sull'errore iniziale, causato dalla non linearità fisica del wafer di silicio. Tuttavia, per i sensori con amplificatori, dovrebbe essere inclusa anche la non linearità dell'amplificatore. La curva di errore lineare può essere una curva concava o una curva convessa.
La calibrazione può eliminare o ridurre notevolmente questi errori, mentre le tecniche di compensazione richiedono in genere determinare i parametri della funzione di trasferimento effettiva del sistema, anziché semplicemente usando valori tipici. Potenziometri, resistori regolabili e altri hardware possono essere tutti utilizzati nel processo di compensazione, mentre il software può implementare in modo più flessibile questo lavoro di compensazione degli errori.
Il metodo di calibrazione di un punto può compensare gli errori di offset eliminando la deriva nel punto zero della funzione di trasferimento e questo tipo di metodo di calibrazione è chiamato zero automatico. La calibrazione offset viene generalmente eseguita a pressione zero, specialmente nei sensori differenziali, poiché la pressione differenziale è in genere 0 in condizioni nominali. Per i sensori puri, la calibrazione dell'offset è più difficile perché richiede un sistema di lettura della pressione per misurare il valore della pressione calibrata in condizioni di pressione atmosferica ambiente o un controller di pressione per ottenere la pressione desiderata.
La calibrazione a pressione zero dei sensori differenziali è molto accurata perché la pressione di calibrazione è strettamente zero. D'altra parte, l'accuratezza della calibrazione quando la pressione non è zero dipende dalle prestazioni del controller di pressione o del sistema di misurazione.
Selezionare la pressione di calibrazione
La selezione della pressione di calibrazione è molto importante in quanto determina l'intervallo di pressione che raggiunge la migliore precisione. In effetti, dopo la calibrazione, l'errore di offset effettivo viene ridotto al minimo nel punto di calibrazione e rimane a un valore ridotto. Pertanto, il punto di calibrazione deve essere selezionato in base all'intervallo di pressione target e l'intervallo di pressione potrebbe non essere coerente con l'intervallo di lavoro.
Al fine di convertire la tensione di uscita in un valore di pressione, la sensibilità tipica viene generalmente utilizzata per la calibrazione a punto singolo nei modelli matematici perché la sensibilità effettiva è spesso sconosciuta.
Dopo aver eseguito la calibrazione dell'offset (PCAL = 0), la curva di errore mostra un offset verticale rispetto alla curva nera che rappresenta l'errore prima della calibrazione.
Questo metodo di calibrazione ha requisiti più rigorosi e costi di implementazione più elevati rispetto al metodo di calibrazione di un punto. Tuttavia, rispetto al metodo di calibrazione dei punti, questo metodo può migliorare significativamente l'accuratezza del sistema perché non solo calibra l'offset, ma calibra anche la sensibilità del sensore. Pertanto, nel calcolo dell'errore, è possibile utilizzare valori di sensibilità effettivi anziché valori atipici.
Qui, la calibrazione viene eseguita in condizioni di 0-500 megapascals (scala piena). Poiché l'errore nei punti di calibrazione è vicino allo zero, è particolarmente importante impostare correttamente questi punti per ottenere l'errore minimo di misurazione all'interno dell'intervallo di pressione previsto.
Alcune applicazioni richiedono che l'elevata precisione sia mantenuta durante l'intero intervallo di pressione. In queste applicazioni, il metodo di calibrazione multi-punto può essere utilizzato per ottenere i risultati più ideali. Nel metodo di calibrazione multi-punto, vengono presi in considerazione non solo errori di offset e sensibilità, ma anche la maggior parte degli errori lineari sono presi in considerazione. Il modello matematico usato qui è esattamente lo stesso della calibrazione a due stadi per ogni intervallo di calibrazione (tra due punti di calibrazione).
Calibrazione a tre punti
Come accennato in precedenza, l'errore lineare ha una forma coerente e la curva di errore è conforme alla curva di un'equazione quadratica, con dimensioni e forma prevedibili. Ciò è particolarmente vero per i sensori che non usano gli amplificatori, poiché la non linearità del sensore si basa fondamentalmente su ragioni meccaniche (causata dalla pressione del film sottile del wafer di silicio).
La descrizione delle caratteristiche di errore lineare può essere ottenuta calcolando l'errore lineare medio degli esempi tipici e determinando i parametri della funzione polinomiale (A × 2+BX+C). Il modello ottenuto dopo aver determinato A, B e C è efficace per i sensori dello stesso tipo. Questo metodo può compensare efficacemente gli errori lineari senza la necessità di un terzo punto di calibrazione.
Tempo post: 27-2025 febbraio