- 壓力傳感器的誤差補償簡要分析
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2015/8/5
合理進行壓力傳感器的誤差補償是其應用的關鍵。壓力傳感器主要有偏移量誤差、靈敏度誤差、線性誤差和滯后誤差，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。
目前市場上傳感器種類豐富多樣，這使得設計工程師可以選擇系統所需的壓力傳感器。這些傳感器既包括最基本的變換器，也包括更為復雜的帶有片上電路的高集成度傳感器。由于存在這些差異，設計工程師必須盡可能夠補償壓力傳感器的測量誤差，這是保證傳感器滿足設計和應用要求的重要步驟。在某些情況下，補償還能提高傳感器在應用中的整體性能。
偏移量、范圍標定以及溫度補償均可以通過薄膜電阻網絡實現，這種薄膜電阻網絡在封裝過程中采用激光修正。
該傳感器通常與微控制器結合使用，而微控制器的嵌入軟件本身建立了傳感器數學模型。微控制器讀取了輸出電壓后，通過模數轉換器的變換，該模型可以將電壓量轉換為壓力測量值。
傳感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優化，并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：它表征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，但可以通過采用適當的壓力標準加以估計，計量人員通常采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。
由于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分組成：
a. 偏移量誤差。由于在整個壓力范圍內垂直偏移保持恒定，因此變換器擴散和激光調節修正的變化將產生偏移量誤差。
b. 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于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產生原因在于擴散過程的變化。
c. 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于硅片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，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。
d. 滯后誤差：在大多數情形中，滯后誤差完全可以忽略不計，因為硅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后誤差。
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件均可在補償過程中采用，而軟件則能更靈活地實現這種誤差補償工作。
一點標定法可通過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，特別是在差動傳感器中，因為在標稱條件下差動壓力通常為 0 。對于純傳感器，偏移量標定則要困難一些，因為它要么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，要么需要獲取期望壓力的壓力控制器。
變動傳感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于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范圍。實際上，經過標定后實際的偏移量誤差在標定點處最小并一直保持較小的值。因此，標定點必須根據目標壓力范圍加以選擇，而壓力范圍可以不與工作范圍相一致。
為了將輸出電壓轉換為壓力值，由于實際的靈敏度往往是未知，因此在數學模型中通常采用典型靈敏度進行單點標定。
紅色曲線表示進行偏移量標定（ PCAL=0 ）后的誤差曲線，可以發現誤差曲線相對于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，還標定了傳感器的靈敏度。因此在誤差計算中可以使用靈敏度實際值，而非典型值。
綠色曲線表示精度提高。在這里，標定是在 0 至 500 兆巴（滿標度）條件下進行。由于在標定點上誤差接近于 0 ，因此為了在期望的壓力范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范圍內保持較高的精確度。在這些應用中，可以采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，還考慮了大部分的線性誤差，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。對于未采用放大器的傳感器更是如此，因為傳感器的非線性從本質上是基于機械原因（這是由硅片的薄膜壓力引起）。
線性誤差特性的描述可以通過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 后得到的模型對于相同類型的傳感器都是有效的。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。
該誤差補償方法只需兩點標定即可將低成本傳感器改進為高性能器件（誤差小于滿標度的 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。由于有多種集成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。
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