压力传感器的误差补偿

合理补偿压力传感器的误差是其应用的关键。压力传感器主要包括灵敏度误差、偏移误差、滞后误差和线性误差。本文将介绍这四个误差对测试结果的机制和影响，并将介绍压力校准方法和应用实例，以提高测量精度。
目前市场上传感器种类丰富多样，这使得设计工程师可以选择系统所需的压力传感器。这些传感器不仅包括最基本的变换器，还包括带有片上电路的更复杂的高集成度传感器。由于这些差异，设计工程师必须尽可能补偿压力传感器的测量误差，这是确保传感器满足设计和应用要求的重要步骤。在某些情况下，补偿还可以提高传感器在应用中的整体性能。
以深圳沧正公司压力传感器为例，所涉及的概念适用于各种压力传感器的设计和应用，该装置有三种类型：
1.基本或未加补偿标定；
2.有校准和温度补偿；
3.有校准、补偿和放大。
偏移量、范围标定以及温度补偿均可以通过薄膜电阻网络实现，这种薄膜电阻网络在封装过程中采用激光修正。该传感器通常与微控制器结合使用，而微控制器的嵌入软件本身建立了传感器数学模型。微控制器读取了输出电压后，通过模数转换器的变换，该模型可以将电压量转换为压力测量值。
传感器最简单的数学模型是传递函数。该模型可以在整个校准过程中进行优化，模型的成熟度会随着校准点的增加而增加。
从测量的角度来看，测量误差有相当严格的定义：它表示了测量压力与实际压力之间的差异。实际压力通常不能直接获得，但可以通过使用适当的压力标准来估计。测量人员通常使用精度至少比测量设备高10倍的仪器作为测量标准。
由于未校准的系统只能使用典型的灵敏度和偏移值将输出电压转换为压力，测量的压力会产生如图1所示的误差。
未校准的初始误差由以下部分组成：
1.灵敏度误差：误差与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数（见图1）。如果灵敏度低于典型值，则灵敏度误差将是压力的递减函数。这种误差的原因是扩散过程的变化。
2.偏移误差：变换器扩散和激光调节修正的变化会产生偏移误差，因为整个压力范围内垂直偏移保持恒定。
3.滞后误差：在大多数情况下，由于硅片具有较高的机械刚度，可以完全忽略滞后误差。一般来说，只有在压力变化很大的情况下才能考虑滞后误差。
4.线性误差：这是一个对初始误差影响较小的因素为硅片的物理非线性，但对于带放大器的传感器，也应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹曲线或凸曲线。
校准可以消除或大大减少这些误差，补偿技术通常需要确定系统实际传输函数的参数，而不是简单地使用典型值。在补偿过程中可以使用电位计、可调电阻和其他硬件，而软件可以更灵活地实现这种误差补偿。
通过消除传递函数零点的漂移，可以补偿偏移误差，称为自动归零。偏移量校准通常在零压下进行，特别是在差动传感器中，因为在标称条件下，差动压力通常为0。对于纯传感器，偏移校准更加困难，因为它要么需要一个压力读取系统来测量环境大气压力下的校准压力值，要么需要获得预期压力的压力控制器。
差动传感器的零压力校准非常准确，因为校准压力严格为0。另一方面，当压力小于0时，校准精度取决于压力控制器或测量系统的性能。
选择标定压力
校准压力的选择非常重要，因为它决定了获得最佳精度的压力范围。事实上，校准后的实际偏差误差在校准点处最小，并始终保持较小的值。因此，校准点必须根据目标压力范围进行选择，压力范围不能与工作范围一致。
为了将输出电压转换为压力值，由于实际灵敏度往往未知，典型灵敏度通常用于数学模型的单点校准。
图2中红色曲线表示偏移量校准（PCAL=0）后的误差曲线，可以发现误差曲线相对于表示标定前误差的黑色曲线产生了垂直偏移。
这种校准方法比一点校准方法更严格，成本更高。然而，与一点校准方法相比，该方法显著提高了系统的精度，因为该方法不仅校准了偏移量，而且还校准了传感器的灵敏度。因此，灵敏度的实际值可以用于误差计算，而不是典型值。
图2中的绿色曲线表示精度提高。在这里，校准是在0~500兆巴（满度）的条件下进行的。由于校准点误差接近0，因此正确设置这些点尤为重要，以在预期压力范围内获得最小的测量误差。
在某些应用程序中，需要在整个压力范围内保持较高的精度。在这些应用程序中，可以使用多点校准方法来获得最理想的结果。在多点校准方法中，不仅考虑偏移和灵敏度误差，还考虑大多数线性误差，如图2紫色曲线所示。这里使用的数学模型与每个校准间距（两个校准点之间）完全相同。
三点标定
如前所述，线性误差形式一致，误差曲线符合二次方程曲线，尺寸和形状可预测。没有放大器的传感器也是如此，因为传感器的非线性本质上是基于机械原因（这是由硅片的薄膜压力引起的）。
通过计算典型实例的平均线性误差，可以确定对线性误差特征的描述（a×2 bx c）获得参数。确定了。a、bc后获得的模型对同类传感器有效。该方法可以有效地补偿线性误差，而无需第三个标定点。