傳感器的誤差

只要有測量就一定存在誤差。對于具體應(yīng)用而言，即使有誤差，從某種意義上來講，誤差卻也是相對的，只要誤差在允許的范圍之內(nèi)，就可以被接受，并且專業(yè)的用戶一般在實際應(yīng)用中會遵循“適用，優(yōu)選”的原則來選擇傳感器。壓力傳感器在應(yīng)用中，其關(guān)注的特性包括但不限于以下幾種特征：

壓力測量范圍：FSO-kPa（差壓/靜壓，表壓/密封表壓，絕壓）

壓力測量誤差：±kPa

測量分辨率：kPa/bit

工作電壓/電流

存儲、工作溫度范圍，測量介質(zhì)

壓力測量響應(yīng)特性,重復(fù)性，長期穩(wěn)定性

在這些壓力參數(shù)之下，掩藏著一顆將壓力轉(zhuǎn)換為電信號的壓力傳感器芯體或者模塊。測量壓力有多種原理方式，但不是每種原理都可以涵蓋所有的壓力類型及壓力范圍：

硅壓阻

濺射薄膜

硅諧振

電容式

電渦流

力平衡熔石英波登管

應(yīng)變片…

關(guān)于誤差分析，以下內(nèi)容將針對硅壓阻方式的壓力傳感器進(jìn)行一個簡單的說明。

圖-1硅阻壓力傳感器從硅片到各型封裝應(yīng)用

在圖-1中，列舉了當(dāng)前在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的基于硅壓阻壓力傳感器從裸片到若干封裝的幾個典型形式。產(chǎn)品類型中有的僅作外部封裝，有的將對應(yīng)量程輸出模擬信號經(jīng)過溫度補償和校準(zhǔn)，可以進(jìn)行互換操作的，有的進(jìn)一步將模擬信號放大處理的，及進(jìn)一步數(shù)字化處理后輸出，有的進(jìn)行數(shù)字化校準(zhǔn)后使用相應(yīng)的接口協(xié)議在工業(yè)界廣泛應(yīng)用的壓力變送器形式的，以及在汽車，醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用中，集成其它諸如溫度或者氣體等傳感器的成為一種綜合形式的模塊。當(dāng)然，也有利用待測介質(zhì)的壓力特性測量其它對應(yīng)的物理量，比如用于呼吸機等領(lǐng)域的基于低差壓傳感器的流量傳感器等。

一般而言，在未經(jīng)數(shù)字化處理之前的壓力傳感器，多會在產(chǎn)品的特性欄中描述遲滯（壓力、溫度）及線性度、溫度系數(shù)等特征參數(shù)，而經(jīng)過數(shù)字化處理后的壓力傳感器或者變送器，在描述輸出信號特性的時候，大多不再描述這些參數(shù)指標(biāo)，而是提供總體的測量精度等參數(shù)。這種差異并不是因為數(shù)字化可以消除類似遲滯等特性，而是數(shù)字化處理后很難再區(qū)分是因為傳感器元件的測量信號還是固件處理本身引起的某些類似遲滯等特性，因此一般均把遲滯、溫度特性等引起的元件測量誤差和量化處理誤差綜合成為了產(chǎn)品最終的測量精度、誤差及長期穩(wěn)定性的描述上更為合理。

數(shù)字調(diào)理往往較少對傳感器電橋的對稱性進(jìn)行處理。如果考慮到硅阻壓力傳感器在0負(fù)載點輸出的偏差 (Offset)分布對于前端放大電路增益的影響，以及后續(xù)ADC部分對有效信號（FSO）因增益的變化導(dǎo)致的分辨率變化，則需要統(tǒng)籌考慮。數(shù)字化后的輸出除非需要，否則Offset都從指定的0點計算。

模擬補償和校準(zhǔn)，可以在ADC參與處理之前通過改善對稱性(0點Offset輸出接近于0V輸出)、溫度敏感性及輸出一致性等方面，使得產(chǎn)品的互換性方面有明顯的提升。因此兩種方式均有各自的特點，這里在分析壓力傳感器的誤差時，將不會對數(shù)字化之后的壓力產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步分析，而僅限于利用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫補和校準(zhǔn)后的壓力產(chǎn)品。

基于硅阻壓力傳感器的特性，其誤差處理時，一般分為兩種類型的誤差：

可補償誤差（一般為溫度影響所致，具重復(fù)性）

不可補償誤差（一般為壓力、溫度及封裝應(yīng)力等所致，不可重復(fù)）

當(dāng)然，即使是可補償部分的誤差，也會因為不同的補償處理方式獲得不同精度的誤差抵消。

為后續(xù)誤差分析，在圖-2中，展示了硅阻壓力傳感器一般的輸出特性。圖中所示術(shù)語如下：

Zero: 理想?yún)⒖剂泓c

Offset: 實際零負(fù)載輸出偏差，即施加0負(fù)載壓力時的輸出電壓信號

FSO：滿量程輸出，從施加滿量程壓力時輸出到零點輸出信號差

BFSLNL：相對最佳擬合直線的非線性度 (Non-Linearity/Best Fit Straight Line)

傳感器的特征值及誤差分析

以下就Amphenol NOVA的一款中壓100kPaG硅阻壓力傳感器進(jìn)行封裝、校準(zhǔn)溫補之后的316L不銹鋼硅油隔離性產(chǎn)品NPI-19-101G進(jìn)行初步分析。計算中并不涉及周邊放大電路及信號處理部分。

表-1：NPI-19VC-101G壓力傳感器參數(shù)表(1)

表-2：誤差計算從25℃到70℃

1.可補償是指可以經(jīng)過溫補和壓力校準(zhǔn)之后進(jìn)一步縮小范圍和大小的誤差特性

2.一般長期穩(wěn)定性包涵在短期穩(wěn)定性特性中，所以計算誤差使用短期穩(wěn)定性即可

5μV/V×10V×0.001/100mV=0.05%

0.1μV/V×10V×0.001/100mV=0.001%

3.Offset和FSO偏差所致誤差計算：(±1mV/100mV×100)=1%

4.Error_1 R.S.S.Max = √(1^2+1^2+〖0.2〗^2+〖0.75〗^2 )(%FSO)

5.Error_2 R.S.S.Max = √(〖0.05〗^2+〖0.2〗^2+〖0.05〗^2 〖+0.05〗^2 )(%FSO)

6.綜合最大誤差=√(〖(Error_1)〗^2+〖(Error_2)〗^2 )(%FSO)

7.傳感器電橋固有的熱噪聲包涵在以上各項測試參數(shù)中

從最后結(jié)果來看，很難想象這個硅壓傳感器在校準(zhǔn)之前同樣情況下的偏差可以達(dá)到±10%FSO以上。

后記

如果有興趣，大家可以對比一下硅阻壓力傳感器溫補校準(zhǔn)前后的參數(shù)特性，經(jīng)過專業(yè)的操作，看起來天馬行空的產(chǎn)品也可以被馴服穩(wěn)定可靠，精度滿足各種應(yīng)用。小小乾坤，大有文章。當(dāng)前安費諾傳感器技術(shù)集團(tuán)（ASTG）旗下有多個全球品牌引領(lǐng)壓力傳感器的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用。

(1) ASTG NOVA NPI-19VC Specification

以上產(chǎn)品的規(guī)格及功能如有更新，恕不另行通知。

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