Bồi thường lỗi của cảm biến áp suất

Bồi thường lỗi hợp lý củaCảm biến áp suấtlà chìa khóa cho ứng dụng của họ. Cảm biến áp suất chủ yếu có lỗi độ nhạy, lỗi bù, lỗi trễ và lỗi tuyến tính. Bài viết này sẽ giới thiệu các cơ chế của bốn lỗi này và tác động của chúng đối với kết quả kiểm tra. Đồng thời, nó sẽ giới thiệu các phương pháp hiệu chuẩn áp lực và các ví dụ ứng dụng để cải thiện độ chính xác đo lường.

Hiện tại, có rất nhiều cảm biến trên thị trường, cho phép các kỹ sư thiết kế chọn các cảm biến áp suất cần thiết cho hệ thống. Các cảm biến này bao gồm cả các máy biến áp cơ bản nhất và các cảm biến tích hợp cao phức tạp hơn với các mạch trên chip. Do những khác biệt này, các kỹ sư thiết kế phải cố gắng bù đắp các lỗi đo lường trong các cảm biến áp suất, đây là một bước quan trọng để đảm bảo rằng các cảm biến đáp ứng các yêu cầu thiết kế và ứng dụng. Trong một số trường hợp, bồi thường cũng có thể cải thiện hiệu suất tổng thể của các cảm biến trong các ứng dụng.

Các khái niệm được thảo luận trong bài viết này có thể áp dụng cho thiết kế và ứng dụng các cảm biến áp suất khác nhau, có ba loại:

1. Hiệu chuẩn cơ bản hoặc không bù;

2. Có hiệu chuẩn và bù nhiệt độ;

3. Nó có hiệu chuẩn, bù và khuếch đại.

Offset, hiệu chuẩn phạm vi và bù nhiệt độ đều có thể đạt được thông qua các mạng điện trở màng mỏng, sử dụng hiệu chỉnh laser trong quá trình đóng gói. Cảm biến này thường được sử dụng cùng với bộ vi điều khiển và phần mềm nhúng của vi điều khiển tự thiết lập mô hình toán học của cảm biến. Sau khi bộ vi điều khiển đọc điện áp đầu ra, mô hình có thể chuyển đổi điện áp thành giá trị đo áp suất thông qua việc chuyển đổi bộ chuyển đổi tương tự sang số.

Mô hình toán học đơn giản nhất cho các cảm biến là hàm truyền. Mô hình có thể được tối ưu hóa trong toàn bộ quá trình hiệu chuẩn và thời gian trưởng thành của nó sẽ tăng lên với sự gia tăng của các điểm hiệu chuẩn.

Từ góc độ đo lường, lỗi đo lường có một định nghĩa khá nghiêm ngặt: nó đặc trưng cho sự khác biệt giữa áp suất đo và áp suất thực. Tuy nhiên, thường không thể trực tiếp đạt được áp lực thực tế, nhưng nó có thể được ước tính bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn áp suất thích hợp. Các nhà đo lường thường sử dụng các dụng cụ có độ chính xác cao hơn ít nhất 10 lần so với thiết bị đo làm tiêu chuẩn đo.

Do thực tế là các hệ thống không được hiệu chỉnh chỉ có thể chuyển đổi điện áp đầu ra thành áp suất bằng cách sử dụng các giá trị độ nhạy và độ nhạy điển hình.

Lỗi ban đầu không được hiệu chỉnh này bao gồm các thành phần sau:

1. Lỗi độ nhạy: Độ lớn của lỗi được tạo ra tỷ lệ thuận với áp suất. Nếu độ nhạy của thiết bị cao hơn giá trị thông thường, lỗi độ nhạy sẽ là một hàm tăng áp lực. Nếu độ nhạy thấp hơn giá trị thông thường, lỗi độ nhạy sẽ là hàm giảm áp lực. Lý do cho lỗi này là do những thay đổi trong quá trình khuếch tán.

2. Lỗi bù: Do độ lệch dọc không đổi trong toàn bộ phạm vi áp suất, thay đổi trong khuếch tán biến áp và điều chỉnh laser sẽ dẫn đến các lỗi bù.

3. Lỗi độ trễ: Trong hầu hết các trường hợp, lỗi độ trễ có thể bị bỏ qua hoàn toàn vì các tấm silicon có độ cứng cơ học cao. Nói chung, lỗi trễ chỉ cần được xem xét trong các tình huống có sự thay đổi đáng kể về áp lực.

4. Lỗi tuyến tính: Đây là một yếu tố có tác động tương đối nhỏ đến lỗi ban đầu, điều này là do tính phi tuyến vật lý của wafer silicon. Tuy nhiên, đối với các cảm biến có bộ khuếch đại, tính phi tuyến của bộ khuếch đại cũng nên được bao gồm. Đường cong lỗi tuyến tính có thể là một đường cong lõm hoặc đường cong lồi.

Hiệu chuẩn có thể loại bỏ hoặc giảm đáng kể các lỗi này, trong khi các kỹ thuật bù thường yêu cầu xác định các tham số của chức năng chuyển thực tế của hệ thống, thay vì chỉ sử dụng các giá trị thông thường. Các chiết áp, điện trở có thể điều chỉnh và phần cứng khác đều có thể được sử dụng trong quá trình bù, trong khi phần mềm có thể thực hiện linh hoạt hơn một cách linh hoạt hơn.

Phương pháp hiệu chuẩn một điểm có thể bù cho các lỗi bù bằng cách loại bỏ trôi dạt ở điểm 0 của hàm truyền và loại phương pháp hiệu chuẩn này được gọi là không tự động. Hiệu chuẩn bù thường được thực hiện ở áp suất bằng không, đặc biệt là trong các cảm biến vi sai, vì áp suất chênh lệch thường là 0 trong điều kiện danh nghĩa. Đối với các cảm biến tinh khiết, hiệu chuẩn bù là khó khăn hơn vì nó đòi hỏi một hệ thống đọc áp suất để đo giá trị áp suất hiệu chuẩn của nó trong điều kiện áp suất khí quyển xung quanh hoặc bộ điều khiển áp suất để có được áp suất mong muốn.

Hiệu chuẩn áp suất bằng 0 của các cảm biến vi sai là rất chính xác vì áp suất hiệu chuẩn hoàn toàn bằng không. Mặt khác, độ chính xác hiệu chuẩn khi áp suất không bằng 0 phụ thuộc vào hiệu suất của bộ điều khiển áp suất hoặc hệ thống đo lường.

Chọn áp suất hiệu chuẩn

Việc lựa chọn áp suất hiệu chuẩn là rất quan trọng vì nó xác định phạm vi áp suất đạt được độ chính xác tốt nhất. Trong thực tế, sau khi hiệu chuẩn, lỗi bù thực tế được giảm thiểu tại điểm hiệu chuẩn và vẫn ở một giá trị nhỏ. Do đó, điểm hiệu chuẩn phải được chọn dựa trên phạm vi áp suất đích và phạm vi áp suất có thể không phù hợp với phạm vi làm việc.

Để chuyển đổi điện áp đầu ra thành giá trị áp suất, độ nhạy điển hình thường được sử dụng để hiệu chuẩn điểm đơn trong các mô hình toán học vì độ nhạy thực tế thường không được biết.

Sau khi thực hiện hiệu chuẩn bù (PCAL = 0), đường cong lỗi hiển thị độ lệch dọc so với đường cong màu đen biểu thị lỗi trước khi hiệu chuẩn.

Phương pháp hiệu chuẩn này có các yêu cầu chặt chẽ hơn và chi phí thực hiện cao hơn so với phương pháp hiệu chuẩn một điểm. Tuy nhiên, so với phương pháp hiệu chuẩn điểm, phương pháp này có thể cải thiện đáng kể độ chính xác của hệ thống vì nó không chỉ hiệu chỉnh phần bù mà còn hiệu chỉnh độ nhạy của cảm biến. Do đó, trong tính toán lỗi, các giá trị độ nhạy thực tế có thể được sử dụng thay vì các giá trị không điển hình.

Ở đây, hiệu chuẩn được thực hiện trong các điều kiện 0-500 megapascal (quy mô đầy đủ). Vì lỗi tại các điểm hiệu chuẩn gần bằng 0, điều đặc biệt quan trọng là đặt chính xác các điểm này để có được lỗi đo tối thiểu trong phạm vi áp suất dự kiến.

Một số ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao phải được duy trì trong toàn bộ phạm vi áp suất. Trong các ứng dụng này, phương pháp hiệu chuẩn đa điểm có thể được sử dụng để có được kết quả lý tưởng nhất. Trong phương pháp hiệu chuẩn đa điểm, không chỉ các lỗi bù và độ nhạy được xem xét, mà cả hầu hết các lỗi tuyến tính đều được tính đến. Mô hình toán học được sử dụng ở đây hoàn toàn giống với hiệu chuẩn hai giai đoạn cho mỗi khoảng hiệu chuẩn (giữa hai điểm hiệu chuẩn).

Hiệu chuẩn ba điểm

Như đã đề cập trước đó, lỗi tuyến tính có dạng nhất quán và đường cong lỗi phù hợp với đường cong của phương trình bậc hai, với kích thước và hình dạng có thể dự đoán được. Điều này đặc biệt đúng đối với các cảm biến không sử dụng bộ khuếch đại, vì tính phi tuyến của cảm biến về cơ bản dựa trên lý do cơ học (gây ra bởi áp suất màng mỏng của wafer silicon).

Mô tả các đặc điểm lỗi tuyến tính có thể thu được bằng cách tính sai số tuyến tính trung bình của các ví dụ điển hình và xác định các tham số của hàm đa thức (A × 2+BX+C). Mô hình thu được sau khi xác định A, B và C có hiệu quả đối với các cảm biến cùng loại. Phương pháp này có thể bù hiệu quả cho các lỗi tuyến tính mà không cần điểm hiệu chuẩn thứ ba.