การชดเชยข้อผิดพลาดของเซ็นเซอร์ความดัน

การชดเชยข้อผิดพลาดที่สมเหตุสมผลของเซ็นเซอร์ความดันเป็นกุญแจสำคัญในการใช้งาน เซ็นเซอร์ความดันส่วนใหญ่มีข้อผิดพลาดความไว, ข้อผิดพลาดออฟเซ็ต, ข้อผิดพลาด hysteresis และข้อผิดพลาดเชิงเส้น บทความนี้จะแนะนำกลไกของข้อผิดพลาดทั้งสี่นี้และผลกระทบต่อผลการทดสอบ ในขณะเดียวกันก็จะแนะนำวิธีการสอบเทียบความดันและตัวอย่างแอปพลิเคชันเพื่อปรับปรุงความแม่นยำในการวัด

ในปัจจุบันมีเซ็นเซอร์ที่หลากหลายในตลาดซึ่งช่วยให้วิศวกรออกแบบสามารถเลือกเซ็นเซอร์ความดันที่จำเป็นสำหรับระบบ เซ็นเซอร์เหล่านี้รวมถึงทั้งหม้อแปลงพื้นฐานและเซ็นเซอร์การรวมที่ซับซ้อนมากขึ้นพร้อมวงจรบนชิป เนื่องจากความแตกต่างเหล่านี้วิศวกรออกแบบจะต้องพยายามชดเชยข้อผิดพลาดในการวัดในเซ็นเซอร์ความดันซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการรับรองว่าเซ็นเซอร์ตรงตามข้อกำหนดการออกแบบและการใช้งาน ในบางกรณีค่าตอบแทนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของเซ็นเซอร์ในแอปพลิเคชัน

แนวคิดที่กล่าวถึงในบทความนี้ใช้กับการออกแบบและการประยุกต์ใช้เซ็นเซอร์ความดันต่าง ๆ ซึ่งมีสามประเภท:

1. การสอบเทียบพื้นฐานหรือไม่ได้รับการชดเชย

2. มีการสอบเทียบและการชดเชยอุณหภูมิ

3. มีการสอบเทียบค่าตอบแทนและการขยาย

การชดเชยการสอบเทียบช่วงและการชดเชยอุณหภูมิสามารถทำได้ผ่านเครือข่ายตัวต้านทานฟิล์มบางซึ่งใช้การแก้ไขด้วยเลเซอร์ในระหว่างกระบวนการบรรจุภัณฑ์ เซ็นเซอร์นี้มักจะใช้ร่วมกับไมโครคอนโทรลเลอร์และซอฟต์แวร์ฝังตัวของไมโครคอนโทรลเลอร์เองจะสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเซ็นเซอร์ หลังจากไมโครคอนโทรลเลอร์อ่านแรงดันเอาต์พุตโมเดลสามารถแปลงแรงดันไฟฟ้าเป็นค่าการวัดความดันผ่านการแปลงตัวแปลงแบบอะนาล็อกเป็นดิจิตอล

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ง่ายที่สุดสำหรับเซ็นเซอร์คือฟังก์ชั่นการถ่ายโอน โมเดลสามารถปรับให้เหมาะสมตลอดกระบวนการสอบเทียบทั้งหมดและวุฒิภาวะจะเพิ่มขึ้นตามจุดปรับเทียบที่เพิ่มขึ้น

จากมุมมองทางมาตรวิทยาข้อผิดพลาดการวัดมีคำจำกัดความที่เข้มงวดอย่างเป็นธรรม: มันเป็นลักษณะความแตกต่างระหว่างความดันที่วัดได้และความดันจริง อย่างไรก็ตามมักจะเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับแรงดันจริงโดยตรง แต่สามารถประเมินได้โดยใช้มาตรฐานความดันที่เหมาะสม นักมาตรวิทยามักใช้เครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงกว่าอุปกรณ์ที่วัดได้อย่างน้อย 10 เท่าเป็นมาตรฐานการวัด

เนื่องจากความจริงที่ว่าระบบที่ไม่ได้รับการปรับเทียบสามารถแปลงแรงดันเอาต์พุตเป็นแรงดันโดยใช้ความไวทั่วไปและค่าชดเชย

ข้อผิดพลาดเริ่มต้นที่ไม่ได้เทียบเท่านี้ประกอบด้วยส่วนประกอบต่อไปนี้:

1. ข้อผิดพลาดความไว: ขนาดของข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นนั้นเป็นสัดส่วนกับความดัน หากความไวของอุปกรณ์สูงกว่าค่าทั่วไปข้อผิดพลาดความไวจะเป็นฟังก์ชันที่เพิ่มขึ้นของความดัน หากความไวต่ำกว่าค่าทั่วไปข้อผิดพลาดความไวจะเป็นฟังก์ชันที่ลดลงของความดัน เหตุผลสำหรับข้อผิดพลาดนี้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการแพร่กระจาย

2. ข้อผิดพลาดออฟเซ็ต: เนื่องจากการชดเชยแนวตั้งคงที่ตลอดช่วงความดันทั้งหมดการเปลี่ยนแปลงในการแพร่กระจายของหม้อแปลงและการแก้ไขการปรับเลเซอร์จะส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดออฟเซ็ต

3. ข้อผิดพลาดความล่าช้า: ในกรณีส่วนใหญ่ข้อผิดพลาดความล่าช้าสามารถละเว้นได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจากเวเฟอร์ซิลิคอนมีความแข็งเชิงกลสูง โดยทั่วไปจะต้องพิจารณาข้อผิดพลาดของฮิสเทรีซิสเท่านั้นในสถานการณ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในความกดดัน

4. ข้อผิดพลาดเชิงเส้น: นี่เป็นปัจจัยที่มีผลกระทบค่อนข้างน้อยต่อข้อผิดพลาดเริ่มต้นซึ่งเกิดจากความไม่เชิงเส้นทางกายภาพของเวเฟอร์ซิลิคอน อย่างไรก็ตามสำหรับเซ็นเซอร์ที่มีแอมพลิฟายเออร์ควรรวมความไม่เชิงเส้นของเครื่องขยายเสียงไว้ด้วย เส้นโค้งข้อผิดพลาดเชิงเส้นอาจเป็นเส้นโค้งเว้าหรือเส้นโค้งนูน

การสอบเทียบสามารถกำจัดหรือลดข้อผิดพลาดเหล่านี้ได้อย่างมากในขณะที่เทคนิคการชดเชยมักจะต้องกำหนดพารามิเตอร์ของฟังก์ชันการถ่ายโอนจริงของระบบแทนที่จะใช้ค่าทั่วไป โพเทนชิโอมิเตอร์ตัวต้านทานที่ปรับได้และฮาร์ดแวร์อื่น ๆ ทั้งหมดสามารถใช้ในกระบวนการชดเชยได้ในขณะที่ซอฟต์แวร์สามารถใช้งานการชดเชยข้อผิดพลาดนี้ได้อย่างยืดหยุ่นมากขึ้น

วิธีการสอบเทียบจุดหนึ่งสามารถชดเชยข้อผิดพลาดออฟเซ็ตได้โดยการกำจัดดริฟท์ที่จุดศูนย์ของฟังก์ชันการถ่ายโอนและวิธีการสอบเทียบประเภทนี้เรียกว่าศูนย์อัตโนมัติ การสอบเทียบออฟเซ็ตมักจะดำเนินการที่ความดันเป็นศูนย์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซ็นเซอร์ที่แตกต่างกันเนื่องจากความดันที่แตกต่างกันมักจะเป็น 0 ภายใต้สภาวะเล็กน้อย สำหรับเซ็นเซอร์บริสุทธิ์การสอบเทียบออฟเซ็ตนั้นยากกว่าเพราะต้องใช้ระบบการอ่านความดันเพื่อวัดค่าความดันที่สอบเทียบภายใต้สภาวะความดันบรรยากาศโดยรอบหรือตัวควบคุมความดันเพื่อให้ได้แรงดันที่ต้องการ

การสอบเทียบความดันเป็นศูนย์ของเซ็นเซอร์ต่างกันนั้นแม่นยำมากเนื่องจากความดันการสอบเทียบนั้นเป็นศูนย์อย่างเคร่งครัด ในทางกลับกันความแม่นยำในการสอบเทียบเมื่อความดันไม่ได้เป็นศูนย์ขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของตัวควบคุมความดันหรือระบบการวัด

เลือกแรงดันการสอบเทียบ

การเลือกความดันการสอบเทียบมีความสำคัญมากเนื่องจากกำหนดช่วงความดันที่บรรลุความแม่นยำที่ดีที่สุด ในความเป็นจริงหลังจากการสอบเทียบข้อผิดพลาดออฟเซ็ตที่เกิดขึ้นจริงจะลดลงที่จุดสอบเทียบและยังคงอยู่ที่ค่าเล็กน้อย ดังนั้นจะต้องเลือกจุดสอบเทียบตามช่วงความดันเป้าหมายและช่วงความดันอาจไม่สอดคล้องกับช่วงการทำงาน

ในการแปลงแรงดันเอาต์พุตเป็นค่าความดันความไวทั่วไปมักใช้สำหรับการสอบเทียบจุดเดียวในแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เนื่องจากความไวจริงมักไม่ทราบ

หลังจากทำการสอบเทียบออฟเซ็ต (PCAL = 0) เส้นโค้งข้อผิดพลาดจะแสดงออฟเซ็ตแนวตั้งที่สัมพันธ์กับเส้นโค้งสีดำที่แสดงถึงข้อผิดพลาดก่อนการสอบเทียบ

วิธีการสอบเทียบนี้มีข้อกำหนดที่เข้มงวดและค่าใช้จ่ายในการดำเนินการที่สูงขึ้นเมื่อเทียบกับวิธีการสอบเทียบจุดเดียว อย่างไรก็ตามเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการสอบเทียบจุดวิธีนี้สามารถปรับปรุงความแม่นยำของระบบได้อย่างมีนัยสำคัญเพราะไม่เพียง แต่ปรับเทียบออฟเซ็ตเท่านั้น แต่ยังปรับเทียบความไวของเซ็นเซอร์ ดังนั้นในการคำนวณข้อผิดพลาดค่าความไวจริงสามารถใช้แทนค่าที่ผิดปกติ

ที่นี่การสอบเทียบดำเนินการภายใต้เงื่อนไขของ 0-500 megapascals (เต็มสเกล) เนื่องจากข้อผิดพลาดที่จุดสอบเทียบนั้นใกล้เคียงกับศูนย์จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องตั้งค่าจุดเหล่านี้อย่างถูกต้องเพื่อให้ได้ข้อผิดพลาดการวัดขั้นต่ำภายในช่วงความดันที่คาดหวัง

แอพพลิเคชั่นบางตัวต้องการความแม่นยำสูงที่จะรักษาไว้ตลอดช่วงความดันทั้งหมด ในแอปพลิเคชันเหล่านี้วิธีการสอบเทียบแบบหลายจุดสามารถใช้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุด ในวิธีการสอบเทียบแบบหลายจุดไม่เพียง แต่พิจารณาข้อผิดพลาดในการชดเชยและความไวเท่านั้น แต่ยังคำนึงถึงข้อผิดพลาดเชิงเส้นส่วนใหญ่ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ใช้ที่นี่เหมือนกับการสอบเทียบสองขั้นตอนสำหรับแต่ละช่วงเวลาการสอบเทียบ (ระหว่างจุดสอบเทียบสองจุด)

การสอบเทียบสามจุด

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ข้อผิดพลาดเชิงเส้นมีรูปแบบที่สอดคล้องกันและเส้นโค้งข้อผิดพลาดสอดคล้องกับเส้นโค้งของสมการกำลังสองโดยมีขนาดและรูปร่างที่คาดการณ์ได้ นี่เป็นเรื่องจริงโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเซ็นเซอร์ที่ไม่ได้ใช้แอมพลิฟายเออร์เนื่องจากความไม่เชิงเส้นของเซ็นเซอร์นั้นขึ้นอยู่กับเหตุผลเชิงกล (เกิดจากความดันฟิล์มบาง ๆ ของเวเฟอร์ซิลิคอน)

คำอธิบายของลักษณะข้อผิดพลาดเชิงเส้นสามารถรับได้โดยการคำนวณข้อผิดพลาดเชิงเส้นเฉลี่ยของตัวอย่างทั่วไปและการกำหนดพารามิเตอร์ของฟังก์ชันพหุนาม (A × 2+Bx+C) แบบจำลองที่ได้รับหลังจากพิจารณา A, B และ C นั้นมีประสิทธิภาพสำหรับเซ็นเซอร์ประเภทเดียวกัน วิธีนี้สามารถชดเชยข้อผิดพลาดเชิงเส้นได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่จำเป็นต้องมีจุดสอบเทียบที่สาม