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简述压力传感器零点漂移的解决方法

来源:《科学与技术》 编辑:于娟 时间:2019-04-01

摘要:压力变送器因其独特的优势,在工业生产中应用普遍。其作为检测传送装置,无论精确度,还是灵敏度都非常高,而且稳定性好,线性度优良,价格低,应用领域广。文章从多个方面论述压力传感器工作特性和零点漂移情况,深入探讨压力传感器零点漂移具体解决方法。

关键词:压力传感器;零点漂移;补偿方法

前言:

现阶段,研发压力变送器时,信号传送多通过压阻式扩散硅压力传感器实现。由于技术方面的桎梏,外部温度变化会对压阻式压力传感器产生影响,以至于发生零点漂移情况。传感器生产过程中,这种情况很难规避,因而,需要采用相关技术手段,研究压力传感器零点漂移情况,并进行温度补偿。

1压力传感器工作特性和零点漂移

压力传感器不仅能够感受压力信号,还能够依据特定规律,转化压力信号,使其以输出电信号器件或装置形式存在。它的主要构成元素是压力敏感元件和信号处理单元。参照测试压力类型,能够把压力传感器细分为表压传感器、差压传感器、绝压传感器三类。其中,压阻式压力传感器工作原理为在基体材料商吸附金属电阻应变片,机械形变会对应变电阻产生影响,使电阻值发生变化,发生电阻应变效应。

1.1压阻式压力传感器静态特性

无论静态灵敏度、线性度,还是零点漂移都属于压力传感器静态性能指标。静态灵敏度。通常指经测量后的静态灵敏度传感器,由单位变化量引起的输出变化量。该性能指标非常关键。选择这一指标时,不仅要对传感器测量范围进行综合考量,还要对抗干扰能力进行兼顾。传感器内部环境特殊,敏感元件的选择切忌盲目,需注重灵敏度情况。其二,线性度。从理论层面考量,传感器静态特性呈直线,但受内外部各类因素影响,其实测输入、输出关系并非如此。线性度通常被认为是当校准特性曲线与某一参考直线不吻合情况下的最大值。零点漂移。当传感器输入、环境温度处于不变状态时,时间因素会对输出量产生影响,使其发生变化[1]。零点漂移发生原因是传感器内部温度变化或者各环节性能缺乏稳定性。其常被作为重要指标,用于判断传感器稳定性是否达标。

1.2压阻式压力传感器工作原理

采用压阻式变换原理制作压敏电阻,其能够直观感受到物体处于受力状态时的应变情况。该情况下,压敏电阻值的重要影响指标是应变力,一旦电阻值处于变化状态,可通过电桥,将电阻变化转换为电压、电流等形式。制作压阻式传感器时,会用到压阻式变换原理,如图1所示。该背景下,作用力对固体产生影响,继而干扰电阻率,发生固体压阻效应。对于扩散型压敏电阻来说,其制作过程主要依靠集成电路工艺。半导体材料和金属片相比,应变系数稍大,二者之间的变化存在关联性。压力传感器的优势在于具备很高的分辨率、压阻系数,且动态响应好。但其也存在明显缺陷,诸如,无论温度系数,还是误差,都比较大。

1.3压阻式压力传感器零点漂移问题

事实上,压敏电阻制造工艺存在差别,温度零点漂移系数也不是固定的。温度范围不同,其数值存在差异。压阻式压力传感器零点漂移由某一温度范围内零点数据占满量程输出比例或最大温度零点系数表示。通常情况下,该系数取值在传感器精度值范围内。如果电阻掺杂浓度与阻值等同,电桥零点输出电压和零点热漂移都不会很大,而传感器性能则比较强。实际操作中,扩散状态下,掺杂分布不够均匀,压敏电阻条要力求短、近。之所以会产生零点温度漂移,是因为扩散电阻阻值受温度影响,特定限值内,温度升高时,电阻值也会随之增加。故而,扩散电阻的温度系数R为正值[2]

2压力传感器零点漂移补偿技术

压力传感器零点漂移补偿技术包括软、硬件两个方面的内容。其中,尤以软件补偿零点漂移法应用最为普遍,实施效果好,很大程度上规避了实操过程中的各类问题。

硬件零点补偿法。在压力传感器中,常用的硬件补偿方法比较多。诸如,在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法、双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。以三极管补偿技术为例,当温度升高时,基极-发射极之间电压减小。三极管电阻特性决定了温度会对电桥工作电压产生影响,当温度比较高时,电桥工作电压也会随之升高,从而对因温度升高有效压阻系数减小导致的电桥输出情况加以补偿,简言之,对负灵敏度温度系数进行有效补偿。

软件补偿零点漂移法。采集信号时,在触发采集期间和采集工作完成之后,没有发生触发信号,输入、输出信号不同,前者为零,后者通常不会出现这种情况。采用该种方法,对输出数据进行采集,其存在形式为随机噪声方式,无论数据计算,还是处理,都毫无机制可言。故而,这一时间节点内,集中采集的信号数值都可称为零点漂移。采用专业技术手段,科学区分这一零点漂移补偿方法,其有多项式拟规范化法和RBF神经网络法之分。采用多项拟合规范化法时,开展具体测量工作过程中,无论温度,还是压力等经由压力传感器测量的指标,与输出值都非线性关系,多项式以函数关系呈现。非线性信号拟合状态下,多项式具备相对比较好的应用效果,它的关键点是求解各项系数。RBF神经网络法应用过程相对比较简单,受零点温度补偿软件算法影响,各类公式相对比较复杂,各类内外部因素也会对拟合精度产生影响。人工神經网络计算方法,样本数量比较少,计算流程相对比较简洁,具备任意函数逼近性能,极具应用发展前景[3]。除此之外,查表法、插值法等都属于软件补偿零点漂移法范畴,部分厂家会基于传感器特性,通过对掺杂浓度进行更改或者选择自校准技术,对各类零点漂移问题加以解决。然而,上述方法的补偿效果并不是很好,精确度不足。

结语

综上所述,压力传感器零点漂移情况比较常见,需要采用专业技术手段加以解决,才能够达到良好的应用效果。技术人员要结合压力传感器使用原理,对压阻式压力传感器静态特性、工作原理、零点漂移问题等具备全面的认识和了解,分别采用软、硬件零点漂移补偿技术,实现压力传感器智能化发展,提高设备整体性能,达到良好的应用效果,为工业生产奠定良好基础,提高整体工作质量和效率。

参考文献

[1]张坤,张进.基于线性加权免疫克隆算法的压力传感器温度补偿方法[J].测控技术,2016,35(1):6-8.

[2]何一鸣.桥梁智能张拉仪受控油温对压力传感器性能影响试验研究[J].中外公路,2016(5):166-168.

[3]梅强.压力传感器试验台零点漂移分析[J].中小企业管理与科技(中旬刊),2018(1):187-188.

(作者单位:内蒙古自治区呼伦贝尔市产品质量计量检测所)

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