壓力傳感器的信號(hào)特征及誤差分析

傳感器的誤差

只要有測(cè)量就一定存在誤差。對(duì)于具體應(yīng)用而言，即使有誤差，從某種意義上來講，誤差卻也是相對(duì)的，只要誤差在允許的范圍之內(nèi)，就可以被接受，并且專業(yè)的用戶一般在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)遵循“適用，優(yōu)選”的原則來選擇傳感器。壓力傳感器在應(yīng)用中，其關(guān)注的特性包括但不限于以下幾種特征：

·壓力測(cè)量范圍：FSO-kPa（差壓/靜壓，表壓/密封表壓，絕壓）

·壓力測(cè)量誤差：±kPa

·測(cè)量分辨率：kPa/bit

·工作電壓/電流

·存儲(chǔ)、工作溫度范圍，測(cè)量介質(zhì)

·壓力測(cè)量響應(yīng)特性，重復(fù)性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性

在這些壓力參數(shù)之下，掩藏著一顆將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的壓力傳感器芯體或者模塊。測(cè)量壓力有多種原理方式，但不是每種原理都可以涵蓋所有的壓力類型及壓力范圍：

·硅壓阻

·濺射薄膜

·硅諧振

·電容式

·電渦流

·力平衡熔石英波登管

·應(yīng)變片…

關(guān)于誤差分析，以下內(nèi)容將針對(duì)硅壓阻方式的壓力傳感器進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的說明。

圖-1硅阻壓力傳感器從硅片到各型封裝應(yīng)用

在圖-1中，列舉了當(dāng)前在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于硅壓阻壓力傳感器從裸片到若干封裝的幾個(gè)典型形式。產(chǎn)品類型中有的僅作外部封裝，有的將對(duì)應(yīng)量程輸出模擬信號(hào)經(jīng)過溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)，可以進(jìn)行互換操作的，有的進(jìn)一步將模擬信號(hào)放大處理的，及進(jìn)一步數(shù)字化處理后輸出，有的進(jìn)行數(shù)字化校準(zhǔn)后使用相應(yīng)的接口協(xié)議在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的壓力變送器形式的，以及在汽車，醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用中，集成其它諸如溫度或者氣體等傳感器的成為一種綜合形式的模塊。當(dāng)然，也有利用待測(cè)介質(zhì)的壓力特性測(cè)量其它對(duì)應(yīng)的物理量，比如用于呼吸機(jī)等領(lǐng)域的基于低差壓傳感器的流量傳感器等。

一般而言，在未經(jīng)數(shù)字化處理之前的壓力傳感器，多會(huì)在產(chǎn)品的特性欄中描述遲滯（壓力、溫度）及線性度、溫度系數(shù)等特征參數(shù)，而經(jīng)過數(shù)字化處理后的壓力傳感器或者變送器，在描述輸出信號(hào)特性的時(shí)候，大多不再描述這些參數(shù)指標(biāo)，而是提供總體的測(cè)量精度等參數(shù)。這種差異并不是因?yàn)閿?shù)字化可以消除類似遲滯等特性，而是數(shù)字化處理后很難再區(qū)分是因?yàn)閭鞲衅髟臏y(cè)量信號(hào)還是固件處理本身引起的某些類似遲滯等特性，因此一般均把遲滯、溫度特性等引起的元件測(cè)量誤差和量化處理誤差綜合成為了產(chǎn)品最終的測(cè)量精度、誤差及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的描述上更為合理。

數(shù)字調(diào)理往往較少對(duì)傳感器電橋的對(duì)稱性進(jìn)行處理。如果考慮到硅阻壓力傳感器在0負(fù)載點(diǎn)輸出的偏差 （Offset）分布對(duì)于前端放大電路增益的影響，以及后續(xù)ADC部分對(duì)有效信號(hào)（FSO）因增益的變化導(dǎo)致的分辨率變化，則需要統(tǒng)籌考慮。數(shù)字化后的輸出除非需要，否則Offset都從指定的0點(diǎn)計(jì)算。

模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)，可以在ADC參與處理之前通過改善對(duì)稱性（0點(diǎn)Offset輸出接近于0V輸出）、溫度敏感性及輸出一致性等方面，使得產(chǎn)品的互換性方面有明顯的提升。因此兩種方式均有各自的特點(diǎn)，這里在分析壓力傳感器的誤差時(shí)，將不會(huì)對(duì)數(shù)字化之后的壓力產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步分析，而僅限于利用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫補(bǔ)和校準(zhǔn)后的壓力產(chǎn)品。

基于硅阻壓力傳感器的特性，其誤差處理時(shí)，一般分為兩種類型的誤差：

·可補(bǔ)償誤差（一般為溫度影響所致，具重復(fù)性）

·不可補(bǔ)償誤差（一般為壓力、溫度及封裝應(yīng)力等所致，不可重復(fù)）

當(dāng)然，即使是可補(bǔ)償部分的誤差，也會(huì)因?yàn)椴煌难a(bǔ)償處理方式獲得不同精度的誤差抵消。

為后續(xù)誤差分析，在圖-2中，展示了硅阻壓力傳感器一般的輸出特性。圖中所示術(shù)語如下：

·Zero： 理想?yún)⒖剂泓c(diǎn)

·Offset： 實(shí)際零負(fù)載輸出偏差，即施加0負(fù)載壓力時(shí)的輸出電壓信號(hào)

·FSO：滿量程輸出，從施加滿量程壓力時(shí)輸出到零點(diǎn)輸出信號(hào)差

·BFSLNL：相對(duì)最佳擬合直線的非線性度 （Non-Linearity/Best Fit Straight Line）

傳感器的特征值及誤差分析

以下就Amphenol NOVA的一款中壓100kPaG硅阻壓力傳感器進(jìn)行封裝、校準(zhǔn)溫補(bǔ)之后的316L不銹鋼硅油隔離性產(chǎn)品NPI-19-101G進(jìn)行初步分析。計(jì)算中并不涉及周邊放大電路及信號(hào)處理部分。

表-1：NPI-19VC-101G壓力傳感器參數(shù)表（1）

表-2：誤差計(jì)算從25℃到70℃

1.可補(bǔ)償是指可以經(jīng)過溫補(bǔ)和壓力校準(zhǔn)之后進(jìn)一步縮小范圍和大小的誤差特性

2.一般長(zhǎng)期穩(wěn)定性包涵在短期穩(wěn)定性特性中，所以計(jì)算誤差使用短期穩(wěn)定性即可

·5μV/V×10V×0.001/100mV=0.05%

·0.1μV/V×10V×0.001/100mV=0.001%

3.Offset和FSO偏差所致誤差計(jì)算：（±1mV/100mV×100）=1%

4.Error_1 R.S.S.Max = √（1^2+1^2+〖0.2〗^2+〖0.75〗^2 ）（%FSO）

5.Error_2 R.S.S.Max = √（〖0.05〗^2+〖0.2〗^2+〖0.05〗^2 〖+0.05〗^2 ）（%FSO）

6.綜合最大誤差=√（〖（Error_1）〗^2+〖（Error_2）〗^2 ）（%FSO）

7.傳感器電橋固有的熱噪聲包涵在以上各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)中

從最后結(jié)果來看，很難想象這個(gè)硅壓傳感器在校準(zhǔn)之前同樣情況下的偏差可以達(dá)到±10%FSO以上。

后記

如果有興趣，大家可以對(duì)比一下硅阻壓力傳感器溫補(bǔ)校準(zhǔn)前后的參數(shù)特性，經(jīng)過專業(yè)的操作，看起來天馬行空的產(chǎn)品也可以被馴服穩(wěn)定可靠，精度滿足各種應(yīng)用。小小乾坤，大有文章。當(dāng)前安費(fèi)諾傳感器技術(shù)集團(tuán)（ASTG）旗下有多個(gè)全球品牌引領(lǐng)壓力傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。

（1） ASTG NOVA NPI-19VC Specification

以上產(chǎn)品的規(guī)格及功能如有更新，恕不另行通知。

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