一般而言,在未经数字化处理之前的压力传感器,多会在产品的特性栏中描述迟滞(压力、温度)及线性度、温度系数等特征参数。而经过数字化处理后的压力传感器或者变送器,在描述输出信号特性的时候,大多不再描述这些参数指标,而是提供总体的测量精度等参数。这种差异并不是因为数字化可以消除类似迟滞等特性,而是数字化处理后很难再区分是因为传感器元件的测量信号还是固件处理本身引起的某些类似迟滞等特性。因此一般均把迟滞、温度特性等引起的元件测量误差和量化处理误差综合成为了产品最终的测量精度、误差及长期稳定性的描述上更为合理。
数字调理往往较少对传感器电桥的对称性进行处理。如果考虑到硅阻压力传感器在0负载点输出的偏差(Offset)分布对于前端放大电路增益的影响,以及后续ADC部分对有效信号(FSO)因增益的变化导致的分辨率变化,则需要统筹考虑。数字化后的输出除非需要,否则Offset都从指定的0点计算。
模拟补偿和校准,可以在ADC参与处理之前通过改善对称性(0点Offset输出接近于0V输出)、温度敏感性及输出一致性等方面,使得产品的互换性方面有明显的提升。因此两种方式均有各自的特点,这里我们在分析压力传感器的误差时,将不会对数字化之后的压力产品进行进一步分析,而仅限于利用电阻网络进行温补和校准后的压力产品。
基于硅阻压力传感器的特性,其误差处理时,一般分为两种类型的误差:
· 可补偿误差(一般为温度影响所致,具重复性)
· 不可补偿误差(一般为压力、温度及封装应力等所致,不可重复)
当然,即使是可补偿部分的误差,也会因为不同的补偿处理方式获得不同精度的误差抵消。
图-2硅阻压力传感器在固定温度下的输出曲线(绿色)特性与理想压力传感器输出曲线(蓝色)比较
为后续误差分析,在图-2中,展示了硅阻压力传感器一般的输出特性。图中所示术语如下:
Zero: 理想参考零点
Offset: 实际零负载输出偏差,即施加0负载压力时的输出电压信号
FSO:满量程输出,从施加满量程压力时输出到零点输出信号差
BFSLNL:相对最佳拟合直线的非线性度 (Non-Linearity/BestFit Straight Line)
传感器的特征值及误差分析
以下我们具体来看一下安费诺旗下Novasensor的一款中压100kPaG硅阻压力传感器进行封装、校准温补之后的316L不锈钢冲油芯体的参数:
表-1:NPI-19VC-101G压力传感器参数表(1)
表-2:误差计算从到25℃到70℃
从最终结果来看,很难想象在同样情况下,这个硅压传感器在校准之前的偏差能够达到±10%FSO以上。
后记:
如果大家有兴趣,可以对比硅阻压力传感器温补校准前后的参数特性。经过专业操作,原本看起来难以捉摸的产品也能够变得稳定可靠,精度满足各种应用需求。
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