傳感器的誤差

只要有測(cè)量就一定存在誤差。對(duì)于具體應(yīng)用而言，即使有誤差，從某種意義上來講，卻也是相對(duì)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(shí)際應(yīng)用中會(huì)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(cè)量范圍：FSO-kPa（差壓/靜壓，表壓/密封表壓，絕壓）

· 壓力測(cè)量誤差：±kPa

· 測(cè)量分辨率：kPa/bit

· 工作電壓/電流

· 存儲(chǔ)、工作溫度范圍，測(cè)量介質(zhì)

· 壓力測(cè)量響應(yīng)特性,重復(fù)性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性

下面將針對(duì)硅壓阻方式的壓力傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的誤差分析說明。

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(gè)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(gè)典型形式。

產(chǎn)品類型中有的是僅作外部封裝，有的將對(duì)應(yīng)量程輸出模擬信號(hào)經(jīng)過溫度補(bǔ)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(hào)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(cè)介質(zhì)的壓力特性測(cè)量其它對(duì)應(yīng)的物理量，比如用于呼吸機(jī)等領(lǐng)域的基于低差壓傳感器的流量傳感器等。

一般而言，未經(jīng)數(shù)字化處理的壓力傳感器，其產(chǎn)品特性欄通常會(huì)詳細(xì)描述遲滯（涉及壓力和溫度）、線性度、溫度系數(shù)等特征參數(shù)。然而，經(jīng)過數(shù)字化處理后的壓力傳感器或變送器，在描述輸出信號(hào)特性時(shí)，往往不再逐一列出這些參數(shù)指標(biāo)，而是轉(zhuǎn)而提供總體的測(cè)量精度等綜合性參數(shù)。 這種描述方式的差異，并非因?yàn)閿?shù)字化處理能夠消除遲滯等特性，而是因?yàn)閿?shù)字化處理后，很難再準(zhǔn)確區(qū)分某些類似遲滯的特性究竟是由傳感器元件本身的測(cè)量信號(hào)引起的，還是由固件處理過程中產(chǎn)生的。因此，將遲滯、溫度特性等引起的元件測(cè)量誤差與量化處理誤差綜合起來，以產(chǎn)品最終的測(cè)量精度、誤差及長(zhǎng)期穩(wěn)定性來描述，顯得更為合理且貼切。

數(shù)字調(diào)理往往較少對(duì)傳感器電橋的對(duì)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(diǎn)輸出的偏差(Offset)分布對(duì)于前端放大電路增益的影響，以及后續(xù)ADC部分對(duì)有效信號(hào)（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(diǎn)計(jì)算。

模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)在壓力傳感器的誤差分析中扮演著重要角色。在ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）參與處理之前，通過模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)，可以顯著改善傳感器的多項(xiàng)性能指標(biāo)，從而提升產(chǎn)品的互換性。 具體來說，模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)可以通過調(diào)整和優(yōu)化傳感器的對(duì)稱性，使得0點(diǎn)Offset輸出接近于0V，有效減小了零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，針對(duì)溫度敏感性進(jìn)行補(bǔ)償，可以確保傳感器在不同溫度環(huán)境下保持穩(wěn)定的輸出特性，避免了因溫度變化而引起的測(cè)量誤差。此外，通過校準(zhǔn)輸出一致性，可以使得同一批次或不同批次的傳感器在輸出特性上保持高度一致，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的互換性。 模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)兩種方式各有其獨(dú)特的特點(diǎn)。模擬補(bǔ)償通常通過調(diào)整電路中的元件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具有操作簡(jiǎn)便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。而校準(zhǔn)則需要通過精確的測(cè)量和調(diào)整手段，確保傳感器的輸出特性符合預(yù)定要求，具有更高的精度和可靠性。 在本文的壓力傳感器誤差分析中，我們將重點(diǎn)關(guān)注利用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溫補(bǔ)和校準(zhǔn)后的壓力產(chǎn)品。這類產(chǎn)品通過模擬補(bǔ)償和校準(zhǔn)技術(shù)的處理，已經(jīng)在性能上得到了顯著提升。而對(duì)于數(shù)字化之后的壓力產(chǎn)品，由于其涉及更多的數(shù)字處理技術(shù)和算法，其誤差分析將更為復(fù)雜，因此本文不對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論。

基于硅阻壓力傳感器的特性，其誤差處理時(shí)，一般分為兩種類型的誤差：

· 可補(bǔ)償誤差（一般為溫度影響所致，具重復(fù)性）

· 不可補(bǔ)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(bǔ)償部分的誤差，也會(huì)因?yàn)椴煌难a(bǔ)償處理方式獲得不同精度的誤差抵消。

圖-2硅阻壓力傳感器在固定溫度下的輸出曲線（綠色）特性與理想壓力傳感器輸出曲線（藍(lán)色）比較

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(diǎn)

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

FSO：滿量程輸出，從施加滿量程壓力時(shí)輸出到零點(diǎn)輸出信號(hào)差

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

傳感器的特征值及誤差分析

以下我們具體來看一下安費(fèi)諾旗下Novasensor的一款中壓100kPaG硅阻壓力傳感器進(jìn)行封裝、校準(zhǔn)溫補(bǔ)之后的316L不銹鋼沖油芯體的參數(shù)：

表-1：NPI-19VC-101G壓力傳感器參數(shù)表(1)

表-2：誤差計(jì)算從到25℃到70℃

從最終結(jié)果來看，很難想象在同樣情況下，這個(gè)硅壓傳感器在校準(zhǔn)之前的偏差能夠達(dá)到±10%FSO以上。

誤差影響因素

典型的誤差影響因素包括參考電壓誤差、放大器誤差、傳感器誤差以及噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響。

(1) 參考電壓誤差參考電壓是用來與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行比較的，因此這個(gè)參考電壓的實(shí)際值非常重要，需要對(duì)參考電壓進(jìn)行周期性校準(zhǔn)或軟件校準(zhǔn)以修正這個(gè)基本的測(cè)量誤差。而且，精心設(shè)計(jì)的參考電壓可以用來最大限度地減少由于溫度造成的漂移。在0℃至25℃的條件下，一個(gè)100ppm/℃的溫度系數(shù)的誤差會(huì)到2500ppm，或滿量程范圍的0.25%。 (2) 放大器誤差 運(yùn)算放大器因其失調(diào)零漂等原因，會(huì)引入誤差。傳感器信號(hào)輸入運(yùn)算放大器即會(huì)影響測(cè)量精度。如壓力傳感器，以壓力傳感器為例，一個(gè)20mV的滿量程信號(hào)將會(huì)有5%偏移，即1mV輸入偏置電壓。這個(gè)輸入偏置誤差可以直接降低測(cè)量精度，用足夠動(dòng)態(tài)范圍的A/D轉(zhuǎn)換器就可能利用軟件消除這個(gè)誤差。

(3) 傳感器誤差

傳感器因?yàn)榧庸すに嚨脑?，不可能達(dá)到理想狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生誤差。修正傳感器誤差可能很困難。如壓力傳感器，即使在生產(chǎn)過程中進(jìn)行線性校準(zhǔn)，但是應(yīng)用中不同設(shè)備之間的輸出比例系數(shù)的變化量仍然很高。壓力傳感器的參考電壓通常是由激勵(lì)產(chǎn)生的，通過惠斯頓電橋產(chǎn)生一種比例式測(cè)量方法，該方法可一定程度消除漂移誤差，但由于電橋之間不可能完全對(duì)稱，故仍然會(huì)有偏置電壓產(chǎn)生。以壓力傳感器為例，1個(gè)低壓傳感器的offset，其偏置誤差很大程度是由電橋不對(duì)稱導(dǎo)致。

(4) 噪聲影響

噪聲有許多來源，包括來自附近高速數(shù)字邏輯電路、電源、風(fēng)扇電機(jī)、電磁閥和射頻EMI的耦合噪聲?？梢酝ㄟ^合適的接地設(shè)計(jì)、屏蔽方法和電路板布局等降低噪聲。另外可以選擇引入噪聲最小、具有足夠增益帶寬的運(yùn)算放大器?？筛鶕?jù)引入的噪聲大小評(píng)價(jià)運(yùn)算放大器，噪聲量根據(jù)對(duì)不受限制帶寬(寬頻帶)或確定帶寬上的信號(hào)的測(cè)量值來確定。

A/D轉(zhuǎn)換器

使用A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，背景噪聲是可用測(cè)量精度的決定性因素。當(dāng)一個(gè)器件的額定分辨率為24位時(shí)，由于噪聲導(dǎo)致的局限性，通常轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的實(shí)際精度更低。這里需要區(qū)分有效位和極低噪聲值，有效位規(guī)格是由噪聲電平RMS值計(jì)算出來的，極低噪聲值則是基于峰-峰值，通常相當(dāng)于統(tǒng)計(jì)RMS值的6.6倍之多。因此，極低噪聲規(guī)格表示的是轉(zhuǎn)換器的有效分辨率，在背景噪聲以上LSB位依然保持穩(wěn)定。還需要特別注意規(guī)格書中的限制條件，例如參考電壓和輸入范圍可能因應(yīng)用不同而異，數(shù)據(jù)手冊(cè)上所承諾的與實(shí)際比值可能有相當(dāng)大的差異。

運(yùn)算放大器

對(duì)于放大器而言，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益很困難。那么就需要讓放大器的噪聲水平與其誤差達(dá)到同樣的范圍。所有的半導(dǎo)體放大器都會(huì)有1/f噪聲，也稱為閃爍噪聲(flicker noise)，它是由于材料而產(chǎn)生的一種基本現(xiàn)象。與頻率相反，在一個(gè)特定的噪聲拐點(diǎn)以下，噪聲密度將呈指數(shù)增加，而且在低頻時(shí)變得有非常大。很少有放大器能低成本地以單芯片實(shí)現(xiàn)這種低噪聲和高增益的組合特性。

為了實(shí)現(xiàn)低噪聲和高增益，可以設(shè)計(jì)混合的多放大器電路，采用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯(cuò)電路和第二個(gè)(或第三個(gè))補(bǔ)償放大器的輸入放大器組合，以實(shí)現(xiàn)所需的增益。集中于一個(gè)參數(shù)的放大器經(jīng)常在其他方面帶來嚴(yán)重的問題。

后記：

如果大家有興趣，可以對(duì)比硅阻壓力傳感器溫補(bǔ)校準(zhǔn)前后的參數(shù)特性。經(jīng)過專業(yè)操作，原本看起來難以捉摸的產(chǎn)品也能夠變得穩(wěn)定可靠，精度滿足各種應(yīng)用需求。