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壓力傳感器的誤差分析

在選擇壓力傳感器的時(shí)候我們要考慮他的綜合精度，而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響呢？其實(shí)造成傳感器誤差的因素有很多，下面我們主要說(shuō)四個(gè)無(wú)法避免的誤差，這也叫傳感器的初始誤差。

1、偏移量誤差

由于壓力傳感器在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定，因此變換器擴(kuò)散和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。

2、靈敏度誤差

產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)。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(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過(guò)程的變化。

3、線性誤差

這是一個(gè)對(duì)壓力傳感器初始誤差影響較小的因素，該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對(duì)于帶放大器的傳感器，還應(yīng)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、滯后誤差

在大多數(shù)情形中，壓力傳感器的滯后誤差可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣杵哂泻芨叩?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; text-decoration-line: underline;">機(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。

壓力傳感器的這個(gè)四個(gè)誤差是無(wú)法避免的，我們只能選擇高精度的生產(chǎn)設(shè)備，利用高新技術(shù)來(lái)降低這些誤差，還可以在出廠的時(shí)候進(jìn)行一定的誤差校準(zhǔn)，盡最大的可能來(lái)降低誤差。

壓力傳感器的選型需求

了解了壓力傳感器的基本誤差，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，我們需要對(duì)傳感器做合理的選型，選用的原則便是以實(shí)惠的價(jià)格買到滿足其用途、壓力量程、精度要求、溫度范圍、電和機(jī)械要求的壓力傳感器。

1、確認(rèn)測(cè)量壓力的類型

壓力傳感器可以分為測(cè)定絕對(duì)壓力、對(duì)大氣的相對(duì)壓力和差壓。測(cè)定絕對(duì)壓力時(shí)，傳感器內(nèi)自身帶有真空參考?jí)?，所測(cè)壓力與大氣壓力無(wú)關(guān)，是相對(duì)于真空的壓力。對(duì)大氣的相對(duì)壓力是以大氣壓力為參考?jí)?，因此傳感器彈性膜一?cè)始終與大氣是連通的。此外，還可從傳感器彈性膜兩側(cè)分別導(dǎo)入流體壓力，這樣能測(cè)定流體不同地點(diǎn)或流體間的差壓。針對(duì)不同用途應(yīng)選用不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。

2、確認(rèn)壓力傳感器的量程范圍

一般而言，需要選擇一個(gè)具有比最大值還要大1.5倍左右壓力量程的傳感器/變送器。在許多測(cè)試系統(tǒng)中，尤其是液壓測(cè)量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動(dòng)，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出傳感器/變送器的標(biāo)定最大值會(huì)縮短傳感器的壽命。

如裝載機(jī)在抓舉瞬間的沖擊力對(duì)傳感器的考驗(yàn)比較嚴(yán)厲，這種場(chǎng)合往往需要3倍以上的安全過(guò)載，但會(huì)影響其綜合精度。也可選用阻尼裝置來(lái)降低壓力沖擊，但這樣又會(huì)降低傳感器的響應(yīng)速度。所以，在選擇傳感器/變送器時(shí)，要充分考慮壓力范圍、精度與其穩(wěn)定性，選擇最合適的解決途徑。

3、確定壓力傳感器的測(cè)量介質(zhì)

一般來(lái)講，黏性液體（如原油）、煤漿、泥漿及其他沉淀物等往往會(huì)堵住壓力接口，影響傳感器的正常工作，這種情況需要采用隔離膜（即平膜結(jié)構(gòu)）傳 感器直接與介質(zhì)接觸，進(jìn)行壓力測(cè)量。當(dāng)溶劑中含有腐蝕性物質(zhì)時(shí)，要選用與這些介質(zhì)兼容的材質(zhì)做隔離膜片，否則會(huì)影響產(chǎn)品的使用壽命。

4、確定壓力傳感器的精度

這里所說(shuō)的精度主要是指：非線性，遲滯性，重復(fù)性，零點(diǎn)與滿度偏差，溫度及其他環(huán)境的影響。一般來(lái)講，精度越高，必然在制作過(guò)程中增添了許多附加工藝以及校淮過(guò)程和補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)成本提高了， 銷售價(jià)格也就越高。所以，用戶在選用產(chǎn)品時(shí)不能只單純地追求高精度，而應(yīng)該根據(jù)實(shí)際測(cè)量的需求進(jìn)行合理地選擇。

5、確認(rèn)壓力傳感器的溫度范圍

通常一個(gè)變送器會(huì)標(biāo)定兩個(gè)溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補(bǔ)償?shù)姆秶?/p>

正常操作溫度范圍：指產(chǎn)品在工作狀態(tài)下不被破壞時(shí)的溫度范圍，在超出溫度補(bǔ)償范圍時(shí)，可能會(huì)達(dá)不到其應(yīng)用的性能指標(biāo)。

溫度補(bǔ)償范圍：在這個(gè)范圍內(nèi)工作，產(chǎn)品肯定會(huì)達(dá)到其應(yīng)有的性能指標(biāo)。

溫度變化影響著零點(diǎn)漂移和滿量程輸出，影響壓力傳感器的精度。為了消除溫度的影響，就需應(yīng)用各種溫度補(bǔ)償技術(shù)。溫度范圍越寬，補(bǔ)償技術(shù)難度越大，且校準(zhǔn)工作量越大，所能保證的全溫度范圍的精度便越低。為此應(yīng)根據(jù)壓力傳感器所應(yīng)用的實(shí)際溫度范圍和精度要求提出合理的要求。

6、電學(xué)要求

一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，遠(yuǎn)距離輸出信號(hào)電壓會(huì)衰減，應(yīng)采用電流信號(hào)輸出。經(jīng)壓力變送器將電流放大后可以輸出20mA以下的電流信號(hào)。這樣，價(jià)格就成倍增加。

所以，選擇的輸出類型依賴于您的傳感器與系統(tǒng)控制或者顯示部件之間的距離，噪音，以及其他電氣干擾，還有是否需要放大，最佳放置放大器的位置等。

另外，只有經(jīng)過(guò)A/D和V/F變換后才能得到數(shù)字信號(hào)和頻率信號(hào)。

恒流源和恒壓源都是通常傳感器采用的兩種激勵(lì)源。兩種激勵(lì)方法是有區(qū)別的，其作用不同。恒流源激勵(lì)有利于熱靈敏度漂移的補(bǔ)償作用。輸出的類型可能就決定了需要的激勵(lì)電壓。許多放大式傳感器都有內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器，可以在很大范圍的未調(diào)節(jié)電壓源下工作。

有些傳感器是有比例的，需要已調(diào)節(jié)的激勵(lì)源。所使用的電源將會(huì)決定您是使用已調(diào)節(jié)電源還是未調(diào)節(jié)電源。這需要在系統(tǒng)成本和所有激勵(lì)源之間作出折中的選擇。

壓力傳感器可以用電池供電，但更普遍的是采用直流穩(wěn)壓電源技術(shù)。

7、作業(yè)方式

作業(yè)方式也是需要考慮的重要問(wèn)題。壓力傳感器的工作環(huán)境惡劣時(shí)，例如有大的振動(dòng)、沖擊，大的電磁干擾，對(duì)傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不僅過(guò)壓能力強(qiáng)，而且要求機(jī)械密封可靠，防松動(dòng)，傳感器安裝正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。

8、對(duì)壓力密封的要求

通常用的壓力密封是橡膠墊（或稱O型環(huán)）、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯墊、錐孔配合、管螺紋配合及焊接等方式。所用的密封材料決定了壓力傳感器的工作溫度范圍。

壓力傳感器的檢測(cè)方式

在使用壓力傳感器的時(shí)候，如何檢測(cè)壓力傳感器顯得十分重要，檢測(cè)壓力傳感器根據(jù)目的不同，檢測(cè)的項(xiàng)目和方法也就會(huì)有區(qū)別。這里介紹3種壓力傳感器的檢測(cè)方法：

1、加壓檢測(cè)

檢單的方法是：給傳感器供電，用嘴吹壓力傳感器的導(dǎo)氣孔，用萬(wàn)用表的電壓檔檢測(cè)傳感器輸出端的電壓變化。如果壓力傳感器的相對(duì)靈敏度很大，這個(gè)變化量會(huì)明顯。如果絲毫沒(méi)有變化，就需要改用氣壓源施加壓力。

通過(guò)以上方法，基本可以檢測(cè)一個(gè)傳感器的狀況。如果需要準(zhǔn)確的檢測(cè)，就需要用標(biāo)準(zhǔn)的壓力源，給傳感器壓力，按照壓力的大小和輸出信號(hào)的變化量，對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。并在條件許可的情況下，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的溫度檢測(cè)。

2、零點(diǎn)的檢測(cè)

用萬(wàn)用表的電壓檔，檢測(cè)在沒(méi)有施加壓力的條件下，傳感器的零點(diǎn)輸出。這個(gè)輸出一般為mV級(jí)的電壓，如果超出了傳感器的技術(shù)指標(biāo)，就說(shuō)明傳感器的零點(diǎn)偏差超范圍。

3、橋路的檢測(cè)

主要檢測(cè)傳感器的電路是否正確，一般是惠斯通全橋電路，利用萬(wàn)用表的歐姆檔，量輸入端之間的阻抗、以及輸出端之間的阻抗，這兩個(gè)阻抗就是壓力傳感器的輸入、輸出阻抗。如果阻抗是無(wú)窮大，橋路就是斷開的，說(shuō)明傳感器有問(wèn)題或者引腳的定義沒(méi)有判斷正確。

壓力傳感器及變送器的故障分析

壓力傳感器在運(yùn)行中發(fā)生故障，我們又如何辨別及排障呢？

1、壓力上去，變送器輸出上不去。

此種情況，先應(yīng)檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住。如果確認(rèn)不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進(jìn)行簡(jiǎn)單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有愉出。若無(wú)變化則傳感器已損壞，可能是儀表?yè)p壞或者整個(gè)系統(tǒng)的其它環(huán)節(jié)的問(wèn)題。

2、變送器輸出信號(hào)不穩(wěn)。

這種故降有可能是壓力源的問(wèn)題。壓力源本身是一個(gè)不穩(wěn)定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強(qiáng)、傳感器本身振動(dòng)很厲害和傳感器故障。

3、加壓變送器輸出不變化，或加壓變送器輸出突然變化。

泄壓變送器零位回不去，很有可能是壓力傳感器密封圈的問(wèn)題。常見的是由于密封圈規(guī)格原因，傳感器擰緊之后密封圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，加壓時(shí)壓力介質(zhì)進(jìn)不去，但在壓力大時(shí)突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更換密封圈再試。

4、變送器與指針式壓力表對(duì)照偏差大。

出現(xiàn)偏差是正常的現(xiàn)象，確認(rèn)正常的偏差范圍即可。

5、微差壓變送器安裝位置對(duì)零位輸出的影響。

微差壓變送器由于其測(cè)量范圍很小，變送器中傳感元件會(huì)影響到微差壓變送器的輸出。安裝時(shí)應(yīng)使變送器的壓力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定后調(diào)整變送器零位到標(biāo)準(zhǔn)值。

壓力傳感器熱零點(diǎn)溫漂的補(bǔ)償技術(shù)

零點(diǎn)熱漂移是影響壓力傳感器性能的重要指標(biāo)，受到廣泛重視。國(guó)際上認(rèn)為零點(diǎn)熱漂移僅取決于力敏電阻的不等性及其溫度非線性，其實(shí)零點(diǎn)熱漂移還與力敏電阻的反向漏電有關(guān)。在這點(diǎn)上，多晶硅可以吸除襯底中的重金屬雜質(zhì)，從而減小力敏電阻的反向漏電、改善零點(diǎn)熱漂移，提高傳感器的性能。

縮小電漂移和修正電漂移還有哪些方式呢？

從整體上來(lái)分，可以分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩大方向。下面分別就這兩個(gè)方向的代表性方法做簡(jiǎn)單介紹。

1 、硬件零點(diǎn)補(bǔ)償方法

對(duì)壓力傳感器而言，硬件補(bǔ)償方法有在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補(bǔ)償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補(bǔ)償法，雙電橋補(bǔ)償技術(shù)、三極管補(bǔ)償技術(shù)等。

2、 軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移方法

在信號(hào)采集過(guò)程中，在觸發(fā)信號(hào)未發(fā)生到觸發(fā)采集以及在采集結(jié)束后的這些時(shí)間段里，輸入的信號(hào)為零，輸出的信號(hào)不為零，這種采集到的輸出數(shù)據(jù)以隨機(jī)噪聲的形式存在，對(duì)于數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理是沒(méi)有意義的，我們定義這段時(shí)間里采集到的信號(hào)值稱之為零點(diǎn)漂移。

3、多項(xiàng)式擬合規(guī)范化法

由于在實(shí)際測(cè)量中。壓力傳感器所測(cè)量的溫度、壓力等物理量不會(huì)與輸出值是嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此其函數(shù)關(guān)系常常是多項(xiàng)式形式。多項(xiàng)式可用于非線性信號(hào)的擬合，關(guān)鍵在于求解其各項(xiàng)系數(shù)。

4、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

基本原理：通常零點(diǎn)溫度補(bǔ)償軟件算法中公式法較復(fù)雜，切擬合精度常會(huì)受到限制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有使用的樣本數(shù)少，算法簡(jiǎn)單、具有任意函數(shù)逼近能力，應(yīng)用前景良好。

此外軟件法還包括查表法、插值法等，還有一些廠家從傳感器本身的特點(diǎn)出發(fā)，采用特殊技術(shù)，如改變摻雜濃度等，或者采用自校準(zhǔn)技術(shù)來(lái)解決零點(diǎn)漂移的問(wèn)題，但這些方法補(bǔ)償精度不高，效果遠(yuǎn)沒(méi)有上述三種方法好。

壓力傳感器在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。