جبران خطا سنسور فشار

جبران خطای معقول ازسنسورهای فشارکلید کاربرد آنهاست. سنسورهای فشار عمدتا خطای حساسیت ، خطای افست ، خطای هیسترزیس و خطای خطی دارند. در این مقاله مکانیسم های این چهار خطا و تأثیر آنها بر نتایج آزمون معرفی خواهد شد. در عین حال ، روشهای کالیبراسیون فشار و نمونه های کاربردی را برای بهبود دقت اندازه گیری معرفی می کند.

در حال حاضر ، سنسورهای متنوعی در بازار وجود دارد که به مهندسان طراحی اجازه می دهد سنسورهای فشار مورد نیاز برای سیستم را انتخاب کنند. این سنسورها شامل اساسی ترین ترانسفورماتورها و سنسورهای پیچیده تر ادغام با مدارهای روی تراشه هستند. با توجه به این اختلافات ، مهندسان طراحی باید تلاش کنند خطاهای اندازه گیری در سنسورهای فشار را جبران کنند ، که این یک گام مهم در اطمینان از اینکه سنسورها از طراحی و نیازهای کاربردی استفاده می کنند ، است. در برخی موارد ، جبران خسارت همچنین می تواند عملکرد کلی سنسورها را در برنامه ها بهبود بخشد.

مفاهیم مورد بحث در این مقاله برای طراحی و کاربرد سنسورهای مختلف فشار ، که دارای سه دسته هستند ، کاربرد دارد:

1. کالیبراسیون اساسی یا غیرقابل جبران ؛

2. کالیبراسیون و جبران دما وجود دارد.

3. دارای کالیبراسیون ، جبران خسارت و تقویت است.

جبران ، کالیبراسیون دامنه و جبران دما همه می توانند از طریق شبکه های مقاومت فیلم نازک ، که از اصلاح لیزر در طی فرآیند بسته بندی استفاده می کنند ، حاصل شود. این سنسور معمولاً در رابطه با میکروکنترلر استفاده می شود و نرم افزار تعبیه شده از میکروکنترلر خود مدل ریاضی سنسور را ایجاد می کند. پس از اینکه میکروکنترلر ولتاژ خروجی را می خواند ، مدل می تواند ولتاژ را از طریق تبدیل مبدل آنالوگ به دیجیتال به مقدار اندازه گیری فشار تبدیل کند.

ساده ترین مدل ریاضی برای سنسورها عملکرد انتقال است. این مدل را می توان در کل فرآیند کالیبراسیون بهینه کرد و بلوغ آن با افزایش نقاط کالیبراسیون افزایش می یابد.

از دیدگاه متروولوژیکی ، خطای اندازه گیری دارای تعریف نسبتاً دقیق است: این تفاوت بین فشار اندازه گیری شده و فشار واقعی را مشخص می کند. با این حال ، معمولاً دستیابی مستقیم فشار واقعی امکان پذیر نیست ، اما با استفاده از استانداردهای فشار مناسب می توان آن را تخمین زد. اندازه شناسان معمولاً از ابزارهایی با دقت حداقل 10 برابر بیشتر از تجهیزات اندازه گیری شده به عنوان استانداردهای اندازه گیری استفاده می کنند.

با توجه به این واقعیت که سیستم های غیرمجاز فقط می توانند با استفاده از حساسیت معمولی و مقادیر جبران ، ولتاژ خروجی را به فشار تبدیل کنند.

این خطای اولیه غیرقانونی شامل مؤلفه های زیر است:

1. خطای حساسیت: بزرگی خطای ایجاد شده متناسب با فشار است. اگر حساسیت دستگاه از مقدار معمولی بالاتر باشد ، خطای حساسیت عملکرد فزاینده ای از فشار خواهد بود. اگر حساسیت از مقدار معمولی پایین تر باشد ، خطای حساسیت عملکرد کاهش فشار خواهد بود. دلیل این خطا به دلیل تغییر در فرآیند انتشار است.

خطای افست: با توجه به جبران عمودی ثابت در کل دامنه فشار ، تغییر در انتشار ترانسفورماتور و اصلاح لیزر منجر به خطاهای جبران می شود.

خطای تاخیر: در بیشتر موارد ، خطای تاخیر را می توان کاملاً نادیده گرفت زیرا ویفرهای سیلیکون از سفتی مکانیکی بالایی برخوردار هستند. به طور کلی ، خطای هیسترزیس فقط باید در شرایطی در نظر گرفته شود که تغییر قابل توجهی در فشار وجود داشته باشد.

4. خطای خطی: این عاملی است که تأثیر نسبتاً کمی بر خطای اولیه دارد ، که ناشی از غیرخطی بودن فیزیکی ویفر سیلیکون است. با این حال ، برای سنسورهای دارای تقویت کننده ، غیرخطی بودن آمپلی فایر نیز باید درج شود. منحنی خطای خطی می تواند یک منحنی مقعر یا منحنی محدب باشد.

کالیبراسیون می تواند این خطاها را از بین ببرد یا به شدت کاهش دهد ، در حالی که تکنیک های جبران خسارت به طور معمول نیاز به تعیین پارامترهای عملکرد انتقال واقعی سیستم دارند ، نه اینکه فقط از مقادیر معمولی استفاده کنند. پتانسیلومترها ، مقاومتهای قابل تنظیم و سایر سخت افزار می توانند در فرآیند جبران استفاده شوند ، در حالی که نرم افزار می تواند با انعطاف پذیری بیشتری این کار جبران خطا را اجرا کند.

روش کالیبراسیون یک نقطه می تواند با از بین بردن رانش در نقطه صفر عملکرد انتقال ، خطاهای جبران را جبران کند و این نوع روش کالیبراسیون را صفر سازی خودکار می نامند. کالیبراسیون افست معمولاً با فشار صفر ، به ویژه در سنسورهای دیفرانسیل انجام می شود ، زیرا فشار دیفرانسیل به طور معمول در شرایط اسمی 0 است. برای سنسورهای خالص ، کالیبراسیون افست دشوارتر است زیرا برای اندازه گیری مقدار فشار کالیبره شده خود در شرایط فشار جوی محیط یا یک کنترل کننده فشار برای به دست آوردن فشار مورد نظر ، به سیستم خواندن فشار نیاز دارد.

کالیبراسیون فشار صفر سنسورهای دیفرانسیل بسیار دقیق است زیرا فشار کالیبراسیون کاملاً صفر است. از طرف دیگر ، دقت کالیبراسیون هنگامی که فشار صفر نیست به عملکرد کنترل کننده فشار یا سیستم اندازه گیری بستگی دارد.

فشار کالیبراسیون را انتخاب کنید

انتخاب فشار کالیبراسیون بسیار مهم است زیرا دامنه فشار را که به بهترین دقت می رسد تعیین می کند. در حقیقت ، پس از کالیبراسیون ، خطای جبران واقعی در نقطه کالیبراسیون به حداقل می رسد و در یک مقدار کوچک باقی می ماند. بنابراین ، نقطه کالیبراسیون باید بر اساس محدوده فشار هدف انتخاب شود و دامنه فشار ممکن است با دامنه کار سازگار نباشد.

به منظور تبدیل ولتاژ خروجی به مقدار فشار ، معمولاً از حساسیت معمولی برای کالیبراسیون تک نقطه ای در مدلهای ریاضی استفاده می شود زیرا حساسیت واقعی اغلب ناشناخته است.

پس از انجام کالیبراسیون افست (PCAL = 0) ، منحنی خطا یک جبران عمودی نسبت به منحنی سیاه نشان می دهد که خطای قبل از کالیبراسیون را نشان می دهد.

این روش کالیبراسیون در مقایسه با روش کالیبراسیون یک نقطه ، نیازهای سختگیرانه تر و هزینه های اجرای بالاتر دارد. با این حال ، در مقایسه با روش کالیبراسیون نقطه ، این روش می تواند به طور قابل توجهی دقت سیستم را بهبود بخشد زیرا نه تنها باعث جبران خسارت می شود بلکه حساسیت سنسور را نیز کالیبره می کند. بنابراین ، در محاسبه خطا ، مقادیر حساسیت واقعی می تواند به جای مقادیر غیرعادی استفاده شود.

در اینجا ، کالیبراسیون تحت شرایط 0-500 مگاپاسکال (مقیاس کامل) انجام می شود. از آنجا که خطا در نقاط کالیبراسیون نزدیک به صفر است ، تنظیم صحیح این نقاط به منظور به دست آوردن حداقل خطای اندازه گیری در محدوده فشار مورد انتظار از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

برخی از برنامه ها نیاز به دقت بالایی دارند که در کل محدوده فشار حفظ می شوند. در این برنامه ها می توان از روش کالیبراسیون چند نقطه ای برای به دست آوردن ایده آل ترین نتایج استفاده کرد. در روش کالیبراسیون چند نقطه ای ، نه تنها خطاهای جبران و حساسیت در نظر گرفته می شود ، بلکه بیشتر خطاهای خطی نیز در نظر گرفته می شوند. مدل ریاضی مورد استفاده در اینجا دقیقاً مشابه کالیبراسیون دو مرحله ای برای هر بازه کالیبراسیون (بین دو نقطه کالیبراسیون) است.

کالیبراسیون سه نقطه

همانطور که قبلاً ذکر شد ، خطای خطی دارای یک شکل ثابت است و منحنی خطا با منحنی یک معادله درجه دوم ، با اندازه و شکل قابل پیش بینی مطابقت دارد. این امر به ویژه در مورد سنسورهایی که از آمپلی فایرها استفاده نمی کنند صادق است ، زیرا غیرخطی بودن سنسور اساساً براساس دلایل مکانیکی (ناشی از فشار فیلم نازک ویفر سیلیکون) است.

توضیحات مشخصات خطای خطی را می توان با محاسبه خطای متوسط ​​خطی نمونه های معمولی و تعیین پارامترهای عملکرد چند جمله ای (A × 2+BX+C) بدست آورد. مدل به دست آمده پس از تعیین A ، B و C برای سنسورهایی از همان نوع مؤثر است. این روش می تواند بدون نیاز به نقطه کالیبراسیون سوم ، خطاهای خطی را جبران کند.