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類比壓力感測器應用中的補償技術

上網時間: 2002年04月27日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:sensor  感測器  pressure sensor  壓力感測器  ASIC 

合理進行壓力感測器的誤差補償是其應用的關鍵。壓力感測器主要有偏移量誤差、靈敏度誤差、線性誤差和滯後誤差,本文將介紹這四種誤差產生的機理和對測試結果的影響,同時將介紹為提高測量精度的壓力標定方法以及應用實例。

目前市場上感測器種類豐富多樣,這使得設計工程師可以選擇系統所需的壓力感測器。這些感測器既包括最基本的變換器,也包括更為複雜的帶有晶片上電路的高整合度感測器。由於存在這些差異,設計工程師必須盡可能夠補償壓力感測器的測量誤差,這是保証感測器滿足設計和應用要求的重要步驟。在某些情況下,補償還能提高感測器在應用中的整體性能。

本文以摩托羅拉公司的壓力感測器為例,所涉及的概念適用於各種壓力感測器的設計應用。

摩托羅拉公司生產的主流壓力感測器是一種單片壓阻元件,該元件具有3類:

  1. 基本的或未加補償標定;

  2. 有標定並進行溫度補償;

  3. 有標定、補償和放大。

偏移量、範圍標定以及溫度補償均可以藉由薄膜電阻網路實現,這種薄膜電阻網路在封裝過程中採用雷射修正。

該感測器通常與微控制器結合使用,而微控制器的嵌入軟體本身建立了感測器數學模型。微控制器讀取了輸出電壓後,藉由類比數位轉換器的變換,該模型可以將電壓量轉換為壓力測量值。

感測器最簡單的數學模型即為傳遞函數。該模型可在整個標定過程中進行最佳化,並且模型的成熟度將隨標定點的增加而增加。

從計量學的角度看,測量誤差具有相當嚴格的定義:它表徵了測量壓力與實際壓力之間的差異。而通常無法直接得到實際壓力,但可以藉由採用適當的壓力標準加以估計,計量人員通常採用那些精度比被測設備高出至少10倍的儀器作為測量標準。

由於未經標定的系統只能使用典型的靈敏度和偏移值將輸出電壓轉換為壓力,測得的壓力將產生如圖1所示的誤差。

這種未經標定的初始誤差由以下幾個部份組成:

  1. 偏移量誤差。由於在整個壓力範圍內垂直偏移保持?定,因此變換器擴散和雷射調節修正的變化將產生偏移量誤差。

  2. 靈敏度誤差,產生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高於典型值,靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(見圖1)。如果靈敏度低於典型值,那麼靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產生原因在於擴散過程的變化。

  3. 線性誤差。這是一個對初始誤差影響較小的因素,該誤差的產生原因在於矽片的物理非線性,但對於帶放大器的感測器,還應包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線,也可以是凸形曲線。

  4. 滯後誤差:在大多數情形中,滯後誤差完全可以忽略不計,因為矽片具有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯後誤差。

標定可消除或極大地減小這些誤差,而補償技術通常要求確定系統實際傳遞函數的參數,而不是簡單的使用典型值。電位計、可調電阻以及其他硬體均可在補償過程中採用,而軟體則能更靈活地實現這種誤差補償工作。

一點標定法可藉由消除傳遞函數零點處的漂移來補償偏移量誤差,這類標定方法稱為自動歸零。

偏移量標定通常在零壓力下進行,特別是在差動感測器中,因為在標稱條件下差動壓力通常為0。對於純感測器,偏移量標定則要困難一些,因為它要麼需要一個壓力讀取系統,用以測量其在環境大氣壓力條件下的標定壓力值,要麼需要獲取期望壓力的壓力控制器。

差動感測器的零壓力標定非常精確,因為標定壓力嚴格為0。另一方面,壓力不為0時的標定精確度取決於壓力控制器或測量系統的性能。

選擇標定壓力

標定壓力的選取非常重要,因其決定了獲取最佳精度的壓力範圍。實際上,藉由標定後實際的偏移量誤差在標定點處最小並一直保持較小的值。因此,標定點必須根據目標壓力範圍加以選擇,而壓力範圍可以不與工作範圍相一致。

為了將輸出電壓轉換為壓力值,由於實際的靈敏度往往是未知,因此在數學模型中通常採用典型靈敏度進行單點標定。

圖2中紅色曲線表示進行偏移量標定(PCAL=0)後的誤差曲線,可以發現誤差曲線相對於表示標定前誤差的黑色曲線產生了垂直偏移。

這種標定方法與一點標定法相比要求更為嚴格,實現成本也更高。然而與一點標定法相比,該方法可顯著提高系統的精度,因為該方法不僅標定了偏移量,還標定了感測器的靈敏度。因此在誤差計算中可以使用靈敏度實際值,而非典型值。

圖2中的綠色曲線表示精度提高。在這?,標定是在0至500兆巴(滿標度)條件下進行。由於在標定點上誤差接近於0,因此為了在期望的壓力範圍內得到最小的測量誤差,正確地設定這些點就顯得尤為重要。

某些應用中要求在整個壓力範圍內保持較高的精確度。在這些應用中,可以採用多點標定法來得到最理想的結果。在多點標定法中,不僅考慮了偏移量和靈敏度誤差,還考慮了大部份的線性誤差,如圖2紫紅色曲線所示。這兒用的數學模型與每個標定間距(在兩個標定點之間)的兩級標定完全一樣。

三點標定

如前所述,線性誤差具有一致的形式,且誤差曲線符合二次方程的曲線,具有可預測的大小和形狀。對於未採用放大器的感測器更是如此,因為感測器的非線性從本質上是基於機械原因(這是由矽片的薄膜壓力引起)。

線性誤差特性的描述可以藉由計算典型實例的平均線性誤差,確定多項式函數(a×2+bx+c)的參數而得到。確定了a、b和c後得到的模型對於相同類型的感測器都是有效的。該方法能在無需第3個標定點的情況下有效地補償線性誤差。

圖3為摩托羅拉MPX2300的補償實例,MPX2300是一種主要應用於血壓測量的溫度補償感測器。多項式模型可由10個感測器的平均線性誤差得到,補償後的誤差約為最大初始線性誤差的十至二十分之一,如圖3虛線所示。

該誤差補償方法只需兩點標定即可將低成本感測器改進為高性能元件(誤差小於滿標度的0.05%)。

當然設計工程師要根據實際應用的精確度要求,選擇最適合的標定方法,此外還需要考慮系統成本。由於有多種整合度和補償技術可供選擇,設計工程師可根據不同的設計要求選擇適當的方法。

作者:Kais Mnif

應用工程師

摩托羅拉公司




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