פיצוי שגיאה של חיישן לחץ

פיצוי שגיאות סביר שלחיישני לחץהוא המפתח ליישום שלהם. לחיישני לחץ בעיקר יש שגיאת רגישות, שגיאת קיזוז, שגיאת היסטריה ושגיאה ליניארית. מאמר זה יציג את המנגנונים של ארבע השגיאות הללו והשפעתן על תוצאות הבדיקה. יחד עם זאת, היא תכניס שיטות כיול לחץ ודוגמאות יישום לשיפור דיוק המדידה.

נכון לעכשיו, ישנם מגוון רחב של חיישנים בשוק, המאפשר למהנדסי תכנון לבחור את חיישני הלחץ הנדרשים למערכת. חיישנים אלה כוללים הן את השנאים הבסיסיים ביותר והן חיישני אינטגרציה גבוהים מורכבים יותר עם מעגלי שבב. בשל ההבדלים הללו, על מהנדסי העיצוב לשאוף לפצות על שגיאות מדידה בחיישני לחץ, המהווה צעד חשוב להבטיח שהחיישנים עומדים בדרישות התכנון והיישום. במקרים מסוימים, פיצויים יכולים גם לשפר את הביצועים הכוללים של חיישנים ביישומים.

המושגים שנדונו במאמר זה חלים על תכנון ויישום של חיישני לחץ שונים, שיש להם שלוש קטגוריות:

1. כיול בסיסי או ללא פיצוי;

2. יש כיול ופיצוי טמפרטורה;

3. יש לו כיול, פיצוי והגברה.

ניתן להשיג קיזוז, כיול טווח ופיצוי טמפרטורה באמצעות כולם באמצעות רשתות נגדי סרטים דקים, המשתמשים בתיקון לייזר במהלך תהליך האריזה. חיישן זה משמש בדרך כלל בשילוב עם בקר מיקרו, והתוכנה המוטמעת של בקר המיקרו עצמה קובעת את המודל המתמטי של החיישן. לאחר בקרי המיקרו קורא את מתח היציאה, המודל יכול להמיר את המתח לערך מדידת לחץ באמצעות טרנספורמציה של הממיר האנלוגי לדיגיטלי.

המודל המתמטי הפשוט ביותר לחיישנים הוא פונקציית ההעברה. ניתן לבצע אופטימיזציה של המודל לאורך כל תהליך הכיול, ובשלותו תגדל עם עליית נקודות הכיול.

מנקודת מבט מטרולוגית, לשגיאת המדידה יש ​​הגדרה קפדנית למדי: היא מאפיינת את ההבדל בין לחץ מדוד ללחץ בפועל. עם זאת, בדרך כלל לא ניתן להשיג ישירות את הלחץ בפועל, אך ניתן להעריך אותו באמצעות תקני לחץ מתאימים. המטרולוגים משתמשים בדרך כלל במכשירים ברמת דיוק לפחות פי 10 מהציוד המדוד כסטנדרטים של מדידה.

בשל העובדה שמערכות לא מכוילות יכולות רק להמיר מתח יציאה ללחץ באמצעות רגישות אופיינית וערכי קיזוז.

שגיאה ראשונית בלתי מכוילת זו מורכבת מהרכיבים הבאים:

1. שגיאת רגישות: גודל השגיאה הנוצרת פרופורציונלית ללחץ. אם הרגישות של המכשיר גבוהה מהערך האופייני, שגיאת הרגישות תהיה פונקציה הולכת וגוברת של לחץ. אם הרגישות נמוכה מהערך האופייני, שגיאת הרגישות תהיה פונקציה יורדת של לחץ. הסיבה לשגיאה זו נובעת משינויים בתהליך הדיפוזיה.

2. שגיאת קיזוז: עקב קיזוז אנכי קבוע לאורך כל טווח הלחץ, שינויים בדיפוזיה של שנאי ותיקון התאמת לייזר יביאו לשגיאות קיזוז.

3. שגיאת פיגור: ברוב המקרים, ניתן להתעלם לחלוטין משגיאת פיגור מכיוון שלוופלים של סיליקון יש קשיחות מכנית גבוהה. באופן כללי, יש לקחת בחשבון שגיאת היסטריה רק ​​במצבים בהם יש שינוי משמעותי בלחץ.

4. שגיאה ליניארית: זהו גורם שיש לו השפעה קטנה יחסית על השגיאה הראשונית, הנגרמת כתוצאה מאי -ליניאריות הפיזית של רקיק הסיליקון. עם זאת, עבור חיישנים עם מגברים, יש לכלול גם את חוסר הליניאריות של המגבר. עקומת השגיאה הליניארית יכולה להיות עקומה קעור או עקומה קמורה.

כיול יכול לבטל או להפחית מאוד שגיאות אלה, ואילו טכניקות פיצויים בדרך כלל דורשות קביעת הפרמטרים של פונקציית ההעברה בפועל של המערכת, ולא פשוט להשתמש בערכים אופייניים. ניתן להשתמש בפוטנציומטרים, נגדים מתכווננים וחומרה אחרת בתהליך הפיצוי, ואילו תוכנה יכולה ליישם בצורה גמישה יותר את עבודת פיצוי השגיאות הזו.

שיטת הכיול של נקודה אחת יכולה לפצות על שגיאות קיזוז על ידי ביטול הסחף בנקודת האפס של פונקציית ההעברה, ושיטת כיול מסוג זה נקראת אפס אוטומטי. כיול קיזוז מתבצע בדרך כלל בלחץ אפס, במיוחד בחיישנים דיפרנציאליים, שכן לחץ דיפרנציאלי הוא בדרך כלל 0 בתנאים נומינליים. עבור חיישנים טהורים, כיול קיזוז קשה יותר מכיוון שהוא דורש מערכת קריאת לחץ כדי למדוד את ערך הלחץ המכויל שלה בתנאי לחץ אטמוספרי בסביבה, או מבקר לחץ להשיג את הלחץ הרצוי.

כיול הלחץ האפס של חיישני דיפרנציאל מדויק מאוד מכיוון שלחץ הכיול הוא אפס בהחלט. מצד שני, דיוק הכיול כאשר הלחץ אינו אפס תלוי בביצועים של בקר הלחץ או במערכת המדידה.

בחר לחץ כיול

בחירת לחץ הכיול חשובה מאוד מכיוון שהיא קובעת את טווח הלחץ שמשיג את הדיוק הטוב ביותר. למעשה, לאחר הכיול, שגיאת הקיזוז בפועל ממוזערת בנקודת הכיול ונשארת בערך קטן. לפיכך, יש לבחור את נקודת הכיול על סמך טווח לחץ היעד, וייתכן כי טווח הלחץ אינו תואם את טווח העבודה.

על מנת להמיר את מתח היציאה לערך לחץ, בדרך כלל משתמשים ברגישות אופיינית לכיול של נקודה יחידה במודלים מתמטיים מכיוון שלעתים קרובות הרגישות בפועל אינה ידועה.

לאחר ביצוע כיול קיזוז (PCAL = 0), עקומת השגיאה מציגה קיזוז אנכי ביחס לעיקול השחור המייצג את השגיאה לפני הכיול.

לשיטת כיול זו יש דרישות מחמירות יותר ועלויות יישום גבוהות יותר בהשוואה לשיטת הכיול של נקודה אחת. עם זאת, בהשוואה לשיטת כיול הנקודה, שיטה זו יכולה לשפר באופן משמעותי את הדיוק של המערכת מכיוון שהיא לא רק מכיול את הקיזוז, אלא גם לכייל את הרגישות של החיישן. לכן, בחישוב שגיאות, ניתן להשתמש בערכי רגישות בפועל במקום בערכים לא טיפוסיים.

כאן, כיול מתבצע בתנאים של 0-500 מגה-ססקלים (בקנה מידה מלא). מכיוון שהשגיאה בנקודות הכיול קרובה לאפס, חשוב במיוחד להגדיר נכון נקודות אלה על מנת להשיג את שגיאת המדידה המינימלית בטווח הלחץ הצפוי.

יישומים מסוימים דורשים שמירה על דיוק גבוה לאורך כל טווח הלחץ. ביישומים אלה ניתן להשתמש בשיטת הכיול הרב-נקודתית כדי להשיג את התוצאות האידיאליות ביותר. בשיטת הכיול הרב-נקודתית, לא רק שגיאות קיזוז ורגישות נחשבות, אלא גם נלקחות בחשבון את רוב השגיאות הליניאריות. המודל המתמטי המשמש כאן זהה בדיוק לכיול הדו-שלבי עבור כל מרווח כיול (בין שתי נקודות כיול).

כיול שלוש נקודות

כאמור, לשגיאה ליניארית יש צורה עקבית, ועקומת השגיאה תואמת את עקומת משוואה ריבועית, עם גודל וצורה צפויים. זה נכון במיוחד לחיישנים שאינם משתמשים במגברים, מכיוון שאי -ליניאריות של החיישן מבוססת באופן בסיסי על סיבות מכניות (הנגרמות כתוצאה מלחץ הסרט הדק של רקיק הסיליקון).

ניתן להשיג את התיאור של מאפייני שגיאה ליניארית על ידי חישוב השגיאה הליניארית הממוצעת של דוגמאות אופייניות וקביעת הפרמטרים של הפונקציה הפולינומית (A × 2+BX+C). המודל המתקבל לאחר קביעת A, B ו- C יעיל לחיישנים מאותו סוג. שיטה זו יכולה לפצות ביעילות על שגיאות ליניאריות ללא צורך בנקודת כיול שלישית.