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發(fā)布時(shí)間：2024-08-23

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引言：壓力傳感器我們用得很多，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力傳感器使用一段時(shí)間就會(huì)有漂移現(xiàn)象。是什么原因?qū)е聣毫鞲衅髌频哪?？我們?cè)谠O(shè)計(jì)的時(shí)候怎么才能消除壓力傳感器漂移呢？

傳感器漂移產(chǎn)生的原因

傳感器漂移是指?jìng)鞲衅鬏敵鲋惦S時(shí)間的推移而發(fā)生變化的現(xiàn)象。這種漂移可能會(huì)導(dǎo)致傳感器測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性,影響其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和穩(wěn)定性。傳感器漂移產(chǎn)生的原因是多種多樣的，下面將逐一介紹。

1.溫度變化:溫度變化是導(dǎo)致傳感器漂移的常見原因之一。溫度的變化會(huì)引|起傳感器元件內(nèi)部材料的膨脹和收縮,進(jìn)而影響傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電特性,導(dǎo)致輸出值發(fā)生漂移。例如，溫度升高會(huì)使電阻傳感器的電阻值增加,從而導(dǎo)致輸出值偏高。

2.電源變化:傳感器的輸出值受到供電電壓的影響,當(dāng)供電電壓發(fā)生變化時(shí),傳感器的輸出值也會(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)楣╇婋妷旱淖兓瘯?huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)發(fā)生改變,進(jìn)而影響輸出信號(hào)的幅值和穩(wěn)定性。

3.長(zhǎng)期使用:長(zhǎng)期使用也是傳感器漂移的一個(gè)重要原因。在使用過程中,傳感器可能會(huì)受到機(jī)械、化學(xué)或熱脹冷縮等因素的影響,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而引起輸出值的漂移。此外,傳感器還可能受到振動(dòng)、沖擊等外部環(huán)境因素的影響,進(jìn)一步加劇漂移現(xiàn)象。

4.傳感器老化:隨著時(shí)間的推移,傳感器的性能可能會(huì)逐漸下降,出現(xiàn)漂移現(xiàn)象。這是因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部的材料和元件會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而老化,導(dǎo)致其物理特性發(fā)生變化。例如,傳感器內(nèi)部的電解質(zhì)會(huì)逐漸流失,導(dǎo)致其靈敏度和穩(wěn)定性下降，進(jìn)而引|起輸出值的漂移。

5.環(huán)境影響:傳感器的漂移還可能受到環(huán)境因素的影響。例如，氣壓、濕度、光照等環(huán)境因素的變化都可能導(dǎo)致傳感器輸出值的漂移。這是因?yàn)榄h(huán)境因素的變化會(huì)改變傳感器與待測(cè)物體的相互作用,進(jìn)而影響傳感器的測(cè)量精度和穩(wěn)定性。

“壓力傳感器發(fā)展的初期，擴(kuò)散硅芯片和金屬基座之間用玻璃粉封接，缺點(diǎn)是壓力芯片的周圍存在著較大的應(yīng)力，即使經(jīng)過退火處理，應(yīng)力也不能完全消除。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，由于金屬、玻璃和擴(kuò)散硅芯片熱澎脹系數(shù)的不同，會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，使傳感器的零點(diǎn)發(fā)生漂移。這就是為什么傳感器的零點(diǎn)熱漂移要比芯片的零點(diǎn)熱漂移大得多的原因。采用銀漿和接線柱焊接，處理不好，容易造成接點(diǎn)電阻不穩(wěn)定。特別是在溫度發(fā)生變化時(shí)，接觸電阻更易變化，這些因素是造成傳感器零點(diǎn)時(shí)漂、溫漂大的原因。

零點(diǎn)熱漂移產(chǎn)生原因的半導(dǎo)體理論分析：只有當(dāng)電阻的摻雜濃度和阻值一致時(shí)才能使電橋的零點(diǎn)輸出電壓小，零點(diǎn)熱漂移也小，這對(duì)提高傳感器的性能十分有利。但是擴(kuò)散時(shí)摻雜分布不易做到均勻，因此要求壓敏電阻條越接近越好，越短越好。

零點(diǎn)熱漂移產(chǎn)生原因的電路分析：理想情況下，組成惠斯通電橋的四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值應(yīng)該是相等的。零點(diǎn)溫度漂移的產(chǎn)生是由于擴(kuò)散電阻值隨溫度變化引起的。在一定的溫度范圍內(nèi)，電阻值隨溫度的上升而增加，即擴(kuò)散電阻的溫度系數(shù)R為正值?！?/span>

此圖為惠斯通電橋損傷的傳感器

漂移問題的解決方法

從整體上來分，壓力傳感器的零點(diǎn)漂移補(bǔ)償可分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩大方向。

1.硬件零點(diǎn)補(bǔ)償方法：

在橋臂上串、并聯(lián)恰當(dāng)恒定電阻法：橋臂熱敏電阻補(bǔ)償法，橋外串、并聯(lián)熱敏電阻補(bǔ)償法，雙電橋補(bǔ)償技術(shù)，三極管補(bǔ)償技術(shù)等。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì):合理的電路設(shè)計(jì)可以減小傳感器漂移的影響。例如,采用溫度補(bǔ)償電路可以校正溫度變化對(duì)傳感器輸出值的影響,提高測(cè)量精度和穩(wěn)定性。此外，還可以采用濾波、放大等電路設(shè)計(jì)手段來消除電源變化和環(huán)境干擾對(duì)傳感器的影響。

2.軟件補(bǔ)償零點(diǎn)漂移方法：在信號(hào)采集過程中，在觸發(fā)信號(hào)未發(fā)生到觸發(fā)采集以及在采集結(jié)束后的這些時(shí)間段里，輸入的信號(hào)為零，輸出的信號(hào)不為零，這種采集到的輸出數(shù)據(jù)以隨機(jī)噪聲的形式存在，對(duì)于數(shù)據(jù)的計(jì)算與處理是沒有意義的。我們定義這段時(shí)間里采集到的信號(hào)值稱之為零點(diǎn)漂移。

所采取的軟件方法有：

多項(xiàng)式擬合規(guī)范法。由于在實(shí)際測(cè)量中，壓力傳感器所測(cè)量的溫度、壓力等物理量不會(huì)與輸出值是嚴(yán)格的線性關(guān)系，因此其函數(shù)關(guān)系常是多項(xiàng)式形式。多項(xiàng)式可用于非線性信號(hào)的擬合，關(guān)鍵在于求解其各項(xiàng)系數(shù)。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法?；驹恚和ǔＡ泓c(diǎn)溫度補(bǔ)償軟件算法中公式法比較復(fù)雜，擬合精度常會(huì)受到限制。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法具有使用的樣本數(shù)少、算法簡(jiǎn)單、具有任意函數(shù)逼近能力、應(yīng)用前景良好。

此外軟件法還包括查表法、插值法等。

為降低漂移的影響,可以采取以下措施:

1.穩(wěn)定溫度：盡量使傳感器處于恒溫狀態(tài)，避免溫度波動(dòng)造成影響。

2.采用溫度補(bǔ)償措施：在傳感器內(nèi)部加入溫度傳感器，通過對(duì)溫度變化的感知，進(jìn)行修正補(bǔ)償。

3.選擇適合的基底粘合方法：合適的基底粘合方法可以減少機(jī)械應(yīng)力的影響。

4.選擇獨(dú)立放大器：采用獨(dú)立放大器將信號(hào)放大，不受其他外部因素影響，可以減少飄移問題。

5.采用自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)：通過自動(dòng)校準(zhǔn)，使傳感器在不同溫度、濕度等環(huán)境下都能保持穩(wěn)定的輸出。

6.選擇高精度傳感器：高精度傳感器的飄移小，可以減少影響。

7.對(duì)飄移數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：通過采集一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，對(duì)飄移數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，可以減少飄移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

聲明

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