压力传感器的信号特征及误差分析

传感器的误差

只要有测量就一定存在误差。对于具体应用而言，即使有误差，从某种意义上来讲，误差却也是相对的，只要误差在允许的范围之内，就可以被接受，并且专业的用户一般在实际应用中会遵循“适用，优选”的原则来选择传感器。压力传感器在应用中，其关注的特性包括但不限于以下几种特征：

• 压力测量范围：FSO-kPa（差压/静压，表压/密封表压，绝压）
• 压力测量误差：±kPa
• 测量分辨率：kPa/bit
• 工作电压/电流
• 存储、工作温度范围，测量介质
• 压力测量响应特性,重复性，长期稳定性

在这些压力参数之下，掩藏着一颗将压力转换为电信号的压力传感器芯体或者模块。测量压力有多种原理方式，但不是每种原理都可以涵盖所有的压力类型及压力范围：

• 硅压阻
• 溅射薄膜
• 硅谐振
• 电容式
• 电涡流
• 力平衡熔石英波登管
• 应变片…     

关于误差分析，以下内容将针对硅压阻方式的压力传感器进行一个简单的说明。

图-1硅阻压力传感器从硅片到各型封装应用

在图-1中，列举了当前在各个领域中广泛应用的基于硅压阻压力传感器从裸片到若干封装的几个典型形式。产品类型中有的仅作外部封装，有的将对应量程输出模拟信号经过温度补偿和校准，可以进行互换操作的，有的进一步将模拟信号放大处理的，及进一步数字化处理后输出，有的进行数字化校准后使用相应的接口协议在工业界广泛应用的压力变送器形式的，以及在汽车，医疗等行业的应用中，集成其它诸如温度或者气体等传感器的成为一种综合形式的模块。当然，也有利用待测介质的压力特性测量其它对应的物理量，比如用于呼吸机等领域的基于低差压传感器的流量传感器等。

一般而言，在未经数字化处理之前的压力传感器，多会在产品的特性栏中描述迟滞（压力、温度）及线性度、温度系数等特征参数，而经过数字化处理后的压力传感器或者变送器，在描述输出信号特性的时候，大多不再描述这些参数指标，而是提供总体的测量精度等参数。这种差异并不是因为数字化可以消除类似迟滞等特性，而是数字化处理后很难再区分是因为传感器元件的测量信号还是固件处理本身引起的某些类似迟滞等特性，因此一般均把迟滞、温度特性等引起的元件测量误差和量化处理误差综合成为了产品最终的测量精度、误差及长期稳定性的描述上更为合理。

数字调理往往较少对传感器电桥的对称性进行处理。如果考虑到硅阻压力传感器在0负载点输出的偏差 (Offset)分布对于前端放大电路增益的影响，以及后续ADC部分对有效信号（FSO）因增益的变化导致的分辨率变化，则需要统筹考虑。数字化后的输出除非需要，否则Offset都从指定的0点计算。

模拟补偿和校准，可以在ADC参与处理之前通过改善对称性(0点Offset输出接近于0V输出)、温度敏感性及输出一致性等方面，使得产品的互换性方面有明显的提升。因此两种方式均有各自的特点，这里在分析压力传感器的误差时，将不会对数字化之后的压力产品进行进一步分析，而仅限于利用电阻网络进行温补和校准后的压力产品。

基于硅阻压力传感器的特性，其误差处理时，一般分为两种类型的误差：

• 可补偿误差（一般为温度影响所致，具重复性）
• 不可补偿误差（一般为压力、温度及封装应力等所致，不可重复）

当然，即使是可补偿部分的误差，也会因为不同的补偿处理方式获得不同精度的误差抵消。

为后续误差分析，在图-2中，展示了硅阻压力传感器一般的输出特性。图中所示术语如下：

• Zero: 理想参考零点
• Offset: 实际零负载输出偏差，即施加0负载压力时的输出电压信号
• FSO：满量程输出，从施加满量程压力时输出到零点输出信号差
• BFSLNL：相对最佳拟合直线的非线性度 (Non-Linearity/Best Fit Straight Line)

传感器的特征值及误差分析

以下就Amphenol NOVA的一款中压100kPaG硅阻压力传感器进行封装、校准温补之后的316L不锈钢硅油隔离性产品NPI-19-101G进行初步分析。计算中并不涉及周边放大电路及信号处理部分。

表-1：NPI-19VC-101G压力传感器参数表(1)

表-2：误差计算从25℃到70℃

1.可补偿是指可以经过温补和压力校准之后进一步缩小范围和大小的误差特性
2.一般长期稳定性包涵在短期稳定性特性中，所以计算误差使用短期稳定性即可
5μV/V×10V×0.001/100mV=0.05%
0.1μV/V×10V×0.001/100mV=0.001%
3.Offset和FSO偏差所致误差计算：(±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.综合最大误差=√(〖(Error_1)〗^2+〖(Error_2)〗^2 )(%FSO)
7.传感器电桥固有的热噪声包涵在以上各项测试参数中

从最后结果来看，很难想象这个硅压传感器在校准之前同样情况下的偏差可以达到±10%FSO以上。

后记

如果有兴趣，大家可以对比一下硅阻压力传感器温补校准前后的参数特性，经过专业的操作，看起来天马行空的产品也可以被驯服稳定可靠，精度满足各种应用。小小乾坤，大有文章。当前安费诺传感器技术集团（ASTG）旗下有多个全球品牌引领压力传感器的研发、生产和应用。

(1)   ASTG NOVA NPI-19VC Specification

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