تعويض الخطأ من مستشعر الضغط

تعويض خطأ معقول منمستشعرات الضغطهو مفتاح تطبيقهم. أجهزة استشعار الضغط بشكل رئيسي لديها خطأ في الحساسية ، وخطأ الإزاحة ، وخطأ التباطؤ ، والخطأ الخطي. ستقدم هذه المقالة آليات هذه الأخطاء الأربعة وتأثيرها على نتائج الاختبار. في الوقت نفسه ، ستقدم طرق معايرة الضغط وأمثلة التطبيق لتحسين دقة القياس.

في الوقت الحاضر ، هناك مجموعة واسعة من أجهزة الاستشعار في السوق ، والتي تتيح لمهندسي التصميم اختيار مستشعرات الضغط المطلوبة للنظام. تشمل هذه المستشعرات كلاً من المحولات الأساسية وأجهزة استشعار التكامل العالية الأكثر تعقيدًا مع دوائر على الرقاقة. نظرًا لهذه الاختلافات ، يجب على مهندسي التصميم السعي لتحقيق تعويض أخطاء القياس في أجهزة استشعار الضغط ، وهي خطوة مهمة في ضمان تلبية أجهزة الاستشعار متطلبات التصميم والتطبيق. في بعض الحالات ، يمكن للتعويض أيضًا تحسين الأداء الكلي للمستشعرات في التطبيقات.

تنطبق المفاهيم التي تمت مناقشتها في هذه المقالة على تصميم وتطبيق مختلف أجهزة استشعار الضغط ، والتي لها ثلاث فئات:

1. المعايرة الأساسية أو غير المعوقة ؛

2. هناك معايرة ودرجة حرارة التعويض.

3. لديها المعايرة والتعويض والتضخيم.

يمكن تحقيق جميع الإزاحة ومعايرة النطاق وتعويض درجة الحرارة من خلال شبكات مقاوم الأفلام الرقيقة ، والتي تستخدم تصحيح الليزر أثناء عملية التغليف. عادةً ما يتم استخدام هذا المستشعر بالاقتران مع متحكم ، ويؤسس البرنامج المدمج للتحكم الدقيق نفسه النموذج الرياضي للمستشعر. بعد قراءة متحكم الجهد ، يمكن للنموذج تحويل الجهد إلى قيمة قياس الضغط من خلال تحويل المحول التناظرية إلى الرقمية.

أبسط نموذج رياضي لأجهزة الاستشعار هو وظيفة النقل. يمكن تحسين النموذج خلال عملية المعايرة بأكملها ، وسيزداد نضجه مع زيادة نقاط المعايرة.

من المنظور المترولوجي ، يكون خطأ القياس تعريفًا صارمًا إلى حد ما: يميز الفرق بين الضغط المقاس والضغط الفعلي. ومع ذلك ، لا يمكن عادة الحصول على الضغط الفعلي مباشرة ، ولكن يمكن تقديره باستخدام معايير الضغط المناسبة. عادةً ما يستخدم علماء الأمراض الأدوات ذات الدقة أعلى 10 أضعاف على الأقل من المعدات المقاسة كمعايير قياس.

نظرًا لحقيقة أن الأنظمة غير المعايرة يمكنها فقط تحويل جهد الخرج إلى الضغط باستخدام الحساسية النموذجية وقيم الإزاحة.

يتكون هذا الخطأ الأولي غير المعاير من المكونات التالية:

1. خطأ الحساسية: يتناسب حجم الخطأ الذي تم إنشاؤه مع الضغط. إذا كانت حساسية الجهاز أعلى من القيمة النموذجية ، فسيكون خطأ الحساسية وظيفة متزايدة للضغط. إذا كانت الحساسية أقل من القيمة النموذجية ، فسيكون خطأ الحساسية وظيفة تناقص للضغط. سبب هذا الخطأ يرجع إلى التغييرات في عملية الانتشار.

2. خطأ الإزاحة: نظرًا للإزاحة الرأسية الثابتة خلال نطاق الضغط بأكمله ، فإن التغييرات في انتشار المحولات وتصحيح تعديل الليزر ستؤدي إلى أخطاء الإزاحة.

3. خطأ تأخر: في معظم الحالات ، يمكن تجاهل خطأ التأخر تمامًا لأن رقائق السيليكون لها صلابة ميكانيكية عالية. بشكل عام ، يجب مراعاة خطأ التباطؤ في المواقف التي يوجد فيها تغيير كبير في الضغط.

4. الخطأ الخطي: هذا عامل له تأثير صغير نسبيًا على الخطأ الأولي ، والذي ناتج عن عدم الخطية الفيزيائية لرقاقة السيليكون. ومع ذلك ، بالنسبة لأجهزة الاستشعار التي تحتوي على مكبرات الصوت ، ينبغي أيضًا تضمين عدم الخطية من مكبر الصوت. يمكن أن يكون منحنى الخطأ الخطي منحنى مقعر أو منحنى محدب.

يمكن للمعايرة القضاء على هذه الأخطاء أو تقللها بشكل كبير ، في حين تتطلب تقنيات التعويض عادة تحديد معلمات وظيفة النقل الفعلية للنظام ، بدلاً من مجرد استخدام القيم النموذجية. يمكن استخدام أجهزة قياس الجهد والمقاومات القابلة للتعديل والأجهزة الأخرى في عملية التعويض ، بينما يمكن للبرنامج تنفيذ عمل تعويض الأخطاء هذا بشكل أكثر مرونة.

يمكن أن تعوض طريقة المعايرة نقطة واحدة عن أخطاء الإزاحة عن طريق التخلص من الانجراف عند نقطة الصفر من وظيفة النقل ، ويسمى هذا النوع من طريقة المعايرة الصفر التلقائي. عادةً ما يتم إجراء معايرة الإزاحة عند الضغط الصفري ، خاصة في أجهزة الاستشعار التفاضلية ، حيث يكون الضغط التفاضلي عادة 0 في ظل الظروف الاسمية. بالنسبة لأجهزة الاستشعار النقية ، تكون معايرة الإزاحة أكثر صعوبة لأنها تتطلب إما نظام قراءة الضغط لقياس قيمة الضغط المعايرة في ظل ظروف الضغط الجوي المحيطة ، أو وحدة تحكم في الضغط للحصول على الضغط المطلوب.

إن معايرة الضغط الصفرية لأجهزة الاستشعار التفاضلية دقيقة للغاية لأن ضغط المعايرة هو صفر تمامًا. من ناحية أخرى ، تعتمد دقة المعايرة عندما لا يكون الضغط صفراً على أداء وحدة تحكم الضغط أو نظام القياس.

حدد ضغط المعايرة

يعد اختيار ضغط المعايرة مهمًا للغاية لأنه يحدد نطاق الضغط الذي يحقق أفضل دقة. في الواقع ، بعد المعايرة ، يتم تقليل خطأ الإزاحة الفعلي في نقطة المعايرة ويظل بقيمة صغيرة. لذلك ، يجب تحديد نقطة المعايرة بناءً على نطاق الضغط المستهدف ، وقد لا يكون نطاق الضغط متسقًا مع نطاق العمل.

من أجل تحويل جهد الخرج إلى قيمة ضغط ، عادة ما تستخدم الحساسية النموذجية لمعايرة النقطة الواحدة في النماذج الرياضية لأن الحساسية الفعلية غالبًا ما تكون غير معروفة.

بعد إجراء معايرة الإزاحة (PCAL = 0) ، يعرض منحنى الخطأ إزاحة رأسية بالنسبة إلى المنحنى الأسود الذي يمثل الخطأ قبل المعايرة.

طريقة المعايرة هذه لها متطلبات أكثر صرامة وزيادة تكاليف التنفيذ مقارنة بطريقة معايرة نقطة واحدة. ومع ذلك ، بالمقارنة مع طريقة معايرة النقطة ، يمكن لهذه الطريقة أن تحسن بشكل كبير من دقة النظام لأنها لا تُعلم الإزاحة فحسب ، بل تعمل أيضًا على معايرة حساسية المستشعر. لذلك ، في حساب الخطأ ، يمكن استخدام قيم الحساسية الفعلية بدلاً من القيم غير التقليدية.

هنا ، يتم إجراء المعايرة في ظل ظروف 0-500 ميغاباسال (النطاق الكامل). نظرًا لأن الخطأ في نقاط المعايرة قريبة من الصفر ، فمن المهم بشكل خاص تعيين هذه النقاط بشكل صحيح من أجل الحصول على الحد الأدنى من خطأ القياس ضمن نطاق الضغط المتوقع.

تتطلب بعض التطبيقات الحفاظ على دقة عالية طوال نطاق الضغط بأكمله. في هذه التطبيقات ، يمكن استخدام طريقة المعايرة متعددة النقاط للحصول على النتائج الأكثر مثالية. في طريقة المعايرة متعددة النقاط ، لا يتم النظر في أخطاء الإزاحة والحساسية فحسب ، ولكن أيضًا تؤخذ معظم الأخطاء الخطية في الاعتبار. النموذج الرياضي المستخدم هنا هو بالضبط نفس المعايرة على مرحلتين لكل فاصل معايرة (بين نقطتين للمعايرة).

ثلاث نقاط معايرة

كما ذكرنا سابقًا ، فإن الخطأ الخطي له نموذج ثابت ، ويتوافق منحنى الخطأ مع منحنى المعادلة التربيعية ، مع حجم وشكل يمكن التنبؤ به. وينطبق هذا بشكل خاص على أجهزة الاستشعار التي لا تستخدم مكبرات الصوت ، حيث أن اللاخطية للمستشعر يعتمد بشكل أساسي على أسباب ميكانيكية (ناتجة عن ضغط الفيلم الرقيق لرقاقة السيليكون).

يمكن الحصول على وصف لخصائص الخطأ الخطي عن طريق حساب متوسط ​​الخطأ الخطي للأمثلة النموذجية وتحديد معلمات الوظيفة متعدد الحدود (A × 2+BX+C). النموذج الذي تم الحصول عليه بعد تحديد A و B و C فعال لأجهزة استشعار من نفس النوع. يمكن لهذه الطريقة تعويض الأخطاء الخطية بشكل فعال دون الحاجة إلى نقطة معايرة ثالثة.