Compensación de error razonable desensores de presiónes la clave de su aplicación. Los sensores de presión tienen principalmente error de sensibilidad, error de compensación, error de histéresis y error lineal. Este artículo introducirá los mecanismos de estos cuatro errores y su impacto en los resultados de las pruebas. Al mismo tiempo, introducirá métodos de calibración de presión y ejemplos de aplicación para mejorar la precisión de la medición.
En la actualidad, hay una amplia variedad de sensores en el mercado, lo que permite a los ingenieros de diseño elegir los sensores de presión necesarios para el sistema. Estos sensores incluyen los transformadores más básicos y los sensores de alta integración más complejos con circuitos en chips. Debido a estas diferencias, los ingenieros de diseño deben esforzarse por compensar los errores de medición en los sensores de presión, lo cual es un paso importante para garantizar que los sensores cumplan con los requisitos de diseño y aplicación. En algunos casos, la compensación también puede mejorar el rendimiento general de los sensores en las aplicaciones.
Los conceptos discutidos en este artículo son aplicables al diseño y la aplicación de varios sensores de presión, que tienen tres categorías:
1. Calibración básica o no compensada;
2. Hay calibración y compensación de temperatura;
3. Tiene calibración, compensación y amplificación.
El desplazamiento, la calibración de rango y la compensación de temperatura se pueden lograr a través de redes de resistencia de película delgada, que utilizan la corrección de láser durante el proceso de envasado. Este sensor generalmente se usa junto con un microcontrolador, y el software integrado del microcontrolador en sí establece el modelo matemático del sensor. Después de que el microcontrolador lee el voltaje de salida, el modelo puede convertir el voltaje en un valor de medición de presión a través de la transformación del convertidor analógico a digital.
El modelo matemático más simple para sensores es la función de transferencia. El modelo se puede optimizar durante todo el proceso de calibración, y su madurez aumentará con el aumento de los puntos de calibración.
Desde una perspectiva metrológica, el error de medición tiene una definición bastante estricta: caracteriza la diferencia entre la presión medida y la presión real. Sin embargo, generalmente no es posible obtener directamente la presión real, pero se puede estimar utilizando los estándares de presión apropiados. Los metrólogos generalmente usan instrumentos con una precisión al menos 10 veces mayor que el equipo medido como estándares de medición.
Debido al hecho de que los sistemas no calibrados solo pueden convertir el voltaje de salida a presión utilizando la sensibilidad típica y los valores de desplazamiento.
Este error inicial no calibrado consiste en los siguientes componentes:
1. Error de sensibilidad: la magnitud del error generado es proporcional a la presión. Si la sensibilidad del dispositivo es mayor que el valor típico, el error de sensibilidad será una función creciente de la presión. Si la sensibilidad es menor que el valor típico, el error de sensibilidad será una función decreciente de la presión. La razón de este error se debe a los cambios en el proceso de difusión.
2. Error de desplazamiento: debido a la compensación vertical constante en todo el rango de presión, los cambios en la difusión del transformador y la corrección de ajuste del láser darán como resultado errores de desplazamiento.
3. Error de retraso: en la mayoría de los casos, el error de retraso puede ignorarse por completo porque las obleas de silicio tienen una alta rigidez mecánica. En general, el error de histéresis solo debe considerarse en situaciones en las que hay un cambio significativo en la presión.
4. Error lineal: este es un factor que tiene un impacto relativamente pequeño en el error inicial, que es causada por la no linealidad física de la oblea de silicio. Sin embargo, para los sensores con amplificadores, también se debe incluir la no linealidad del amplificador. La curva de error lineal puede ser una curva cóncava o una curva convexa.
La calibración puede eliminar o reducir en gran medida estos errores, mientras que las técnicas de compensación generalmente requieren determinar los parámetros de la función de transferencia real del sistema, en lugar de simplemente usar valores típicos. Los potenciómetros, las resistencias ajustables y otros hardware se pueden usar en el proceso de compensación, mientras que el software puede implementar de manera más flexible este trabajo de compensación de errores.
El método de calibración de un punto puede compensar los errores de desplazamiento al eliminar la deriva en el punto cero de la función de transferencia, y este tipo de método de calibración se denomina cero automático. La calibración de compensación generalmente se realiza a presión cero, especialmente en sensores diferenciales, ya que la presión diferencial es típicamente 0 en condiciones nominales. Para los sensores puros, la calibración de compensación es más difícil porque requiere un sistema de lectura de presión para medir su valor de presión calibrado en condiciones ambientales de presión atmosférica, o un controlador de presión para obtener la presión deseada.
La calibración de presión cero de los sensores diferenciales es muy precisa porque la presión de calibración es estrictamente cero. Por otro lado, la precisión de la calibración cuando la presión no es cero depende del rendimiento del controlador de presión o el sistema de medición.
Seleccionar presión de calibración
La selección de la presión de calibración es muy importante ya que determina el rango de presión que logra la mejor precisión. De hecho, después de la calibración, el error de desplazamiento real se minimiza en el punto de calibración y permanece en un valor pequeño. Por lo tanto, el punto de calibración debe seleccionarse en función del rango de presión objetivo, y el rango de presión puede no ser consistente con el rango de trabajo.
Para convertir el voltaje de salida en un valor de presión, la sensibilidad típica generalmente se usa para la calibración de un solo punto en modelos matemáticos porque la sensibilidad real a menudo se desconoce.
Después de realizar la calibración de compensación (pcal = 0), la curva de error muestra un desplazamiento vertical en relación con la curva negra que representa el error antes de la calibración.
Este método de calibración tiene requisitos más estrictos y mayores costos de implementación en comparación con el método de calibración de un punto. Sin embargo, en comparación con el método de calibración puntual, este método puede mejorar significativamente la precisión del sistema porque no solo calibra el desplazamiento, sino que también calibra la sensibilidad del sensor. Por lo tanto, en el cálculo de errores, se pueden usar valores de sensibilidad reales en lugar de valores atípicos.
Aquí, la calibración se realiza en condiciones de 0-500 megapascales (escala completa). Dado que el error en los puntos de calibración está cerca de cero, es particularmente importante establecer correctamente estos puntos para obtener el error de medición mínimo dentro del rango de presión esperado.
Algunas aplicaciones requieren que se mantenga una alta precisión en todo el rango de presión. En estas aplicaciones, el método de calibración de múltiples puntos se puede utilizar para obtener los resultados más ideales. En el método de calibración de múltiples puntos, no solo se consideran errores de compensación y sensibilidad, sino que también se tienen en cuenta la mayoría de los errores lineales. El modelo matemático utilizado aquí es exactamente el mismo que la calibración de dos etapas para cada intervalo de calibración (entre dos puntos de calibración).
Calibración de tres puntos
Como se mencionó anteriormente, el error lineal tiene una forma consistente, y la curva de error se ajusta a la curva de una ecuación cuadrática, con un tamaño y forma predecibles. Esto es especialmente cierto para los sensores que no usan amplificadores, ya que la no linealidad del sensor se basa fundamentalmente en razones mecánicas (causada por la presión de la película delgada de la oblea de silicio).
La descripción de las características de error lineal se puede obtener calculando el error lineal promedio de los ejemplos típicos y determinando los parámetros de la función polinómica (A × 2+Bx+C). El modelo obtenido después de determinar A, B y C es efectivo para sensores del mismo tipo. Este método puede compensar efectivamente los errores lineales sin la necesidad de un tercer punto de calibración.
Tiempo de publicación: febrero 27-2025