使用自動(dòng)歸零校準(zhǔn)確保壓力傳感器精度

隨著壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，自動(dòng)調(diào)零校準(zhǔn)正成為越來(lái)越多應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。需要高精度的常見(jiàn)醫(yī)療應(yīng)用包括無(wú)創(chuàng)血壓監(jiān)測(cè)儀和微型泵。另一種新的醫(yī)學(xué)應(yīng)用是傷口治療，其中控制傷口的負(fù)壓促進(jìn)愈合。自動(dòng)歸零校準(zhǔn)還可以在一系列消費(fèi)和商業(yè)電器(包括咖啡機(jī)、洗碗機(jī)和洗衣機(jī))的整個(gè)生命周期內(nèi)保持消費(fèi)產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。

無(wú)論應(yīng)用如何，自動(dòng)歸零校準(zhǔn)都是從在已知參考點(diǎn)對(duì)輸出進(jìn)行采樣開(kāi)始的。然后，在傳感器中嵌入的信號(hào)調(diào)節(jié) ASIC 上運(yùn)行的軟件可以將輸出調(diào)整到正確的壓力。這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵概念是理想的傳遞函數(shù)。

理想的傳遞函數(shù)在算法上描述了工作壓力和傳感器在傳感器工作范圍內(nèi)的數(shù)字輸出之間的關(guān)系。圖 1 顯示了數(shù)字傳感器的理想傳遞函數(shù)。它還顯示了理想的偏移量，即在自動(dòng)歸零計(jì)算中用作參考的壓力下的正確輸出。

圖 1：壓力傳感器通常顯示線性傳遞函數(shù)。

各種現(xiàn)實(shí)條件會(huì)改變理想的傳遞函數(shù)并產(chǎn)生偏移誤差。這些條件包括正常的零件間差異和產(chǎn)品老化。圖 2 顯示了誤差偏移的示例。

圖 2：偏移誤差是理想和現(xiàn)實(shí)世界傳遞函數(shù)之間的差異。

自動(dòng)歸零基礎(chǔ)

傳感器制造商通常會(huì)在工廠校準(zhǔn)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)高精度輸出，但所有傳感器一旦進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)一些偏移誤差。幸運(yùn)的是，最終用戶可以減輕這些重復(fù)出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

由于自動(dòng)歸零校準(zhǔn)是在軟件中實(shí)現(xiàn)的，因此可以在傳感器部署到現(xiàn)場(chǎng)后執(zhí)行——強(qiáng)烈建議這樣做。當(dāng)“原位”校正不可行時(shí)，應(yīng)在工廠校準(zhǔn)之后但在部署之前執(zhí)行自動(dòng)歸零校準(zhǔn)。這消除了由于將設(shè)備安裝在電路板上的壓力以及工廠校準(zhǔn)引起的任何錯(cuò)誤。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)有兩種常見(jiàn)情況：固定時(shí)間間隔和系統(tǒng)檢測(cè)到溫度變化時(shí)。這兩個(gè)選項(xiàng)并不相互排斥。定期校準(zhǔn)在超低壓應(yīng)用中尤為重要。原因：在 1 psi 或以下工作的傳感器本質(zhì)上更容易因壓力和環(huán)境壓力而出現(xiàn)偏移誤差。建議使用溫度觸發(fā)校準(zhǔn)，因?yàn)闇囟茸兓菍?dǎo)致誤差的主要因素。

在概述實(shí)施自動(dòng)歸零校準(zhǔn)技術(shù)之前，有必要列舉幾個(gè)壓力傳感器中最重要的偏移誤差來(lái)源。已經(jīng)提到了正常零件間的變化和老化。

焊接設(shè)備時(shí)，或使用粘合劑將傳感器連接到包裝上，或?qū)鞲衅骷傻綒鈩?dòng)系統(tǒng)中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力誤差。溫度變化、濕度和壓力等環(huán)境條件也會(huì)導(dǎo)致偏移誤差。即使電源電壓的微小變化以及與設(shè)備制造和工廠校準(zhǔn)相關(guān)的不可避免的變化也會(huì)使輸出值出現(xiàn)偏差。

對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，好消息是它們的組合效應(yīng)不會(huì)顯著改變傳遞函數(shù)的線性度。它實(shí)際上仍然是一條直線。這說(shuō)明了自動(dòng)歸零校準(zhǔn)技術(shù)的有效性。

應(yīng)該注意的是，雖然自動(dòng)歸零校準(zhǔn)對(duì)于表壓和差壓測(cè)量來(lái)說(shuō)是一種有價(jià)值的策略，但對(duì)于測(cè)量絕對(duì)壓力(需要真空源)的傳感器來(lái)說(shuō)很難實(shí)施，因此不推薦使用。

自動(dòng)歸零校準(zhǔn)本質(zhì)上是由嵌入式 ASIC 中的固件執(zhí)行的算法過(guò)程。詳細(xì)的解釋超出了本文的范圍。完整的描述，包括示例代碼，可以在壓力傳感器的技術(shù)說(shuō)明自動(dòng)歸零校準(zhǔn)技術(shù)中找到。該過(guò)程的概述如下：

自動(dòng)歸零校準(zhǔn)方法從在已知環(huán)境條件下測(cè)量和記錄參考?jí)毫﹂_(kāi)始。最好使用盡可能接近零的參考?jí)毫ΑＴ撨^(guò)程還需要知道最小和最大工作壓力及其相應(yīng)的數(shù)字輸出。因?yàn)槔硐牒同F(xiàn)實(shí)世界的傳遞函數(shù)都是線性的，所以參考?jí)毫μ幍钠普`差提供了工作限制內(nèi)任何壓力下的偏移誤差。

公式 1 描述了壓力傳感器的理想傳遞函數(shù)：

其中：

輸出 = 任何給定壓力下的輸出讀數(shù)

Output min = 最小工作壓力下的理想輸出讀數(shù)

Output max = 最大工作壓力下的理想輸出讀數(shù)

P min = 最小工作壓力

P max = 最大工作壓力

由于目標(biāo)是獲取壓力讀數(shù)，因此等式 1 可以重寫為以下等式 2：

最好的做法是獲取多個(gè)讀數(shù)并將它們平均，而不是依賴于單個(gè)讀數(shù)。

通過(guò)從已知參考?jí)毫χ袦p去測(cè)量壓力值的平均值來(lái)獲得自動(dòng)歸零值。既然知道自動(dòng)歸零值，就可以使用它來(lái)調(diào)整錯(cuò)誤，如下所示：

讀取傳感器讀數(shù)。

使用公式 2 計(jì)算壓力。

從測(cè)量值中減去自動(dòng)歸零值，得到校正值。

結(jié)論

自動(dòng)歸零校準(zhǔn)解決了壓力傳感器在離開(kāi)制造商后失去精度的問(wèn)題。這是一種算法解決方案，實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜，因?yàn)樗捎昧撕?jiǎn)單的 ASIC 和幾行代碼。該技術(shù)對(duì)于越來(lái)越多需要比過(guò)去更高的精度和測(cè)量穩(wěn)定性的壓力傳感器應(yīng)用特別有價(jià)值。

審核編輯：湯梓紅