压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法

2021/11/03 18:15 · 传感器知识资讯 ·  · 压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法已关闭评论
摘要:

压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法1、引言现代信息产业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术,它们分别构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器是信息采集系统的首要部件,几乎应用于所有的技术领域,世界各国都越

压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法  第1张

压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法

1、引言
现代信息产业的三大支柱是传感器技术、通信技术和计算机技术,它们分别构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”。传感器是信息采集系统的首要部件,几乎应用于所有的技术领域,世界各国都越来越重视传感器的研制与开发。
压力传感器是应用最为广泛的传感器之一,今年来,先进国家都加大了对压力传感器的研究力度。对压力传感器的研究集中在原理、制造工艺、传感器补偿技术与信号调理上。现有压力传感器在原理和生产工艺上主要有电容式、粘贴式、硅压阻式、合金电阻应变式几种,各种传感器的工艺技术都日趋成熟,尤其是合金电阻应变式压力传感,性能优越,应用越来越广泛。本文针对影响硅压阻式和合金薄膜应变式压力传感器测量精度的一个主要误差——灵敏度温漂进行分析,探讨各种补偿方法,通过对灵敏度温漂的有效补偿,减少温度变化引起的测量误差,提高压力传感器测量精度。
2、影响压力传感器灵敏度温漂的主要因素
2.1 灵敏度和灵敏度温漂
硅压阻式和合金薄膜压力传感器采用的转换电路一般为全桥应变电路,测量原理见图1示:

图1 全桥应变电路
压力传感器敏感芯片受到压力产生电阻阻值改变,R1和R4电阻增大,R2和R3电阻减小,桥路输出一个与压力成正比的电信号。理论上,4个电阻阻值相同,均为R,电阻R1和R4的变化值均为ΔR,电阻R2和R3的变化值均为(-ΔR),可推导出,传感器的零点输出见公式(1):
ΔV=U×ΔR/R (1)
灵敏度是指压力传感器在满量程压力下,单位输入所产生的输出;是压力传感器的静态特性中的一项重要指标。灵敏度温漂指压力传感器的满量程输出随温度变化的改变率。压力传感器的灵敏度温漂的计算公式见式(2):
β=(YF.S(t2)-
YF.S(t1))×100%/[YF.S(t1)×( t2-
t1)]/℃ (2)
其中YF.S表示压力传感器的满量程输出。
2.2 产生灵敏度温漂的主要原因
2.2.1 产生硅压阻式传感器灵敏度温漂的主要原因
对于硅压阻式压力传感器,产生灵敏度温漂的原因是多方面的。压力灵敏度与压阻系数成比例关系,压阻系数是温度的函数,因此压阻系数随温度变化是产生灵敏度温漂的主要原因。压阻系数随温度升高而下降,灵敏度温度系数总是小于零,而且压敏电阻的压阻系数的温度系数大,一般需要进行温度补偿,这是硅压阻式压力传感器最大缺点。另外,绝缘层与基底材料的热膨胀系数不匹配,电阻掺杂不合适等也会影响灵敏度温漂。因此压阻系数的温度系数造成的温漂相对比较复杂,补偿相对困难,但一般有一定的规律,可按照经验和规律进行补偿。
2.2.2 产生合金薄膜应变式传感器灵敏度温漂的主要原因
对于合金薄膜应变式压力传感器,由于应变电阻随弹性元件的变化而变化,而弹性元件弹性模量是温度的函数,随着温度增加,弹性模量会增大,所以压力传感器有一个正的灵敏度温漂;这是影响灵敏度温漂的主要原因。由于弹性模量的温度系数为一定值,所以,合金薄膜压力传感器的灵敏度温漂基本为一恒定值,补偿相对简单,方便进行补偿。
3、几种补偿灵敏度温漂的方法
下面介绍目前通用的几种灵敏度温漂的补偿方法:

如图2示:将二极管串接入桥路的供压电源端来实现灵敏度温漂的补偿;其原理是:对桥路采用恒压源供电,二极管在正向使用时相当于负温度系数的小电阻,当环境温度增加,二极管正向电阻值减小,二极管的分压减小,桥路的供桥电压增加,使得传感器的零点输出与满量程输出增加,从而达到补偿硅传感器的负灵敏度温漂。这种方法简单实用,适应于硅压阻式传感器的灵敏度温漂补偿;缺点是二极管补偿方式离散性大,不能实现连续补偿。
3.2 热敏电阻补偿法
采用恒压源供电,桥式电路的输出与供桥电压成正比,与桥臂电阻的变化量(ΔR1+ΔR4-ΔR2-ΔR3)成正比,与桥臂平均电阻R成反比。通过改变桥压的大小就可以实现灵敏度温漂的补偿。在桥路的供压电源端来串入一个温度系数比桥臂电阻大得多的热敏电阻,通过在不同温度下,热敏电阻的分压不同,引起桥路的供桥电压改变,从而达到改变传感器零点和满量程的改变。泽天传感在溅射薄膜压力传感器的温度补偿上,长期采用这种补偿方式,结果表明,该补偿方式简单易行,效果良好。
对于硅压阻式传感器,由于电阻的温度系数与压阻系数的温度系数均为负值,在热敏电阻的选择上,要选择负温度系数比桥臂电阻大得多的热敏电阻,这样,在高温下,热敏电阻的分压比常温下小,桥路的供桥电压增加,满量程输出增加,起到补偿作用。合金应变式压力传感器的补偿与硅压阻式相反,因为弹性材料与合金电阻材料的温度系数均为正值,热敏电阻须选择正温度系数大的电阻,如纯铜电阻。
通过串接热敏电阻方式补偿灵敏度温漂,工艺简单,补偿精度也高;这种方法相比教于二极管补偿方法更精确,热敏电阻的温度系数成线性,可以实现连续精确的补偿,是最常用的补偿方法。
3.3 数字化补偿
由于高精度的数字调理电路的发展,压力传感器的零点温漂与灵敏度温漂都可以通过后期电路进行修正。在数字调理芯片内部,带有温度传感器,能实时测量传感器环境温度。电路内部存储器,可以预先存入各种温度下对应的零点与满量程输出值。在各种环境温度下,通过内部温度传感器测量实时温度,电路调出预先存储的该温度点下的零点与满量程输出值,从而达到补偿的目的。
4、结论
本文通过分析硅压阻式和合金薄膜应变式压力传感器的灵敏度温漂产生的主要原因,针对灵敏度温漂的特点,介绍几种有效的补偿方法。分析和泽天传感长期的实验结果表明:通过热敏电阻或高精度调理电路都可以实现对压力传感器的灵敏度温漂的有效补偿,使压力传感器温度误差满足0.2级或更高精度要求。

压力传感器温度补偿:压力传感器为什么要进行温度补偿?

  压力传感器为什么要进行温度补偿?这个问题对于压力传感器的初学者和刚接触压力传感器的从业者以及用户来说是一个比较困惑的知识点,他们通常会问:我们制作的是压力传感器,为什么要进行温度补偿?在听小编讲解之前,小编的心里也画着一个大大的问号,屏幕前的你有没有同样的疑惑呢?
  在实际生活中,客户在使用压力传感器的时候,希望压力传感器能够准确的反应所测量介质的压力,但是在实际的使用工况中,测量介质和环境温度经常会有变化,这会导致压力传感器所测的数据出现误差。
  比如,压力传感器安装在室外的情况:在东北地区,冬天环境温度可能降到零下40℃,但是在某个设备旁,温度可能上升到70℃,这样就导致了温度的差异较大。压力传感器里面的核心器件是压力芯片,我们通常把压力芯片看做是一个桥路电阻,在温度变化的时候会引起桥阻阻值的变化,这样造成输出的不准确,为了修正温度变化对压力传感器的影响,我们需要对压力传感器进行温度补偿。通常的做法是在传感器的外围用电子网络进行补偿,这就是我们常说的被动补偿,英文叫做“Passive compensation”。在中国压力变送器的用户通常喜欢使用做好温度补偿的充油芯体,而在国外很多客户选择使用不带温度补偿的充油芯体,他们通常通过自己的电路对传感器进行温度补偿,这种补偿方式叫做主动补偿,英文叫做“Active compensation”。
  主动补偿和被动补偿对于压力传感器的初学者来说也是一个容易混淆的概念,但听完小编的讲解,有没有一种眼前突然一亮的感觉呢!
  在学习和使用压力传感器的过程中我们经常会听到温漂一词,那么什么是温漂,压力传感器的温漂又是如何产生的呢?
  温漂:是指受温度影响而引起的零点不稳定。
  压力传感器的温漂主要来源于两个方面:
  第一方面是零部件本身的温漂;
  第二方面是传感器在膨胀过程中产生的应力,传感器的核心器件是压力芯片,压力芯片本身对温度就比较敏感,会随着温度的变化产生一定的漂移量;另外在封装过程中,传感器需要充灌硅油,以便把力从压力膜片,传导到压力芯片上,硅油在温度变化中,产生热胀冷缩,从而产生一定的应力,这个应力作用到压力芯片上,造成传感器的漂移;还有就是压力芯片,他是用胶和传感器底座连接在一起的,由于压力芯片和传感器底座是两种不同的材料,膨胀系数不一样,所以在温度变化中两种不同膨胀系数的材料之间也会产生一定的应力,从而产生一定的温漂,这些是扩散硅压力传感器温漂的主要来源。
  为在一定程度上减少压力传感器的温漂,技术人员在设计压力传感器的过程中,要尽量减少充油芯体相及的体积,以减少充油的量,在粘接压力芯片的过程中,尽量选用合适的胶,以减少粘结产生的应力,传感器底座材料的选择,要考虑和压力芯片,膨胀系数相近的材料,从而减少温漂的产生。
来源:本文转自:
压力传感器温度补偿:几种实用的压力传感器灵敏度温度漂移补偿方法  第2张

压力传感器温度补偿:压力传感器温度补偿详解

在电子元器件中,其他条件不变的情况下,其输出信号会随着温度的变化而发生漂移,为了减小这种现象,我们采取一定的算法对输出结果进行修正,达到一定范围内消除温度变化对元器件输出信号影响的目的。此种方法叫做电子元器件的温度补偿,简称为“温补”。
大多数压力传感器的静特性与环境温度有着密切的联系。实际工作中由于传感器的工作环境温度变化较大.又由于温度变化引起的热输出也较大,这将会带来较大的测量误差;继而影响到压力传感器的静特性,所以设计中必须采取措施以减少或消除温度变化带来的测量影响。
压力传感器是工程中常用的测量器件,而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成,这样的传感器也称为压电传感器。我们了解,晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的,通常压力传感器输出的微小信号需通过后续的放大器进行放大,再传输给处理电路才能进行压力的检测。其阻值随压力的变化而变化。在传感器的应用中,为使传感器的技术指标及性能不受温度变化影响而采取一系列具体技术措施。称为温度补偿技术。一般传感器都在标准温度(20±5)℃下标定,但其工作环境温度也可能由零下几十摄氏度升到零上几十摄氏度。传感器由多个环节组成。尤其是金属材料和半导体材料制成的敏感元件,其静特性与温度有着密切的关系。信号调理电路的电阻、电容等元件特性基本不随温度变化。所以必须采取有效措施以抵消或减弱温度变化对传感器特性造成的影响。即必须进行压力传感器的温度补偿。
上海朝辉生产的数字压力表内置压力传感器,是集压力测量、显示一体的高精度压力表,具有抗震动、显示精度高、稳定性高、可清零、自动待机等特点。该系列数字压力表采用电池供电,由于采用了低功耗的处理器芯片,续航时间长,具有自动待机与一键清零功能,使用方便,可替代机械式压力表用于便携式压力测量、设备配套、标准压力校验设备等多种领域。
安装注意事项
1 .传感器的安装传感器的膜片是最容易损坏的部位,在安装之前请不要随意脱落其保护帽,同时在安装时要注意保护传感器的膜片。
安装孔的加工要根据安装孔尺寸图及尺寸表的技术要求加工,避免因安装孔不标准引起的膜片擦伤影响传感器正常工作。
2 .传感器的拆除安装时要保证安装孔内没有遗留的金属异物或塑料,在清理挤出机之前应将所有的传感器从机器上拆下。只有当聚合物成灼热的熔融状态下才能拆下传感器,拆下后立即用软布将传感器探头膜片擦净。同时我司可以提供安装孔的专用清洁工具来清理残留在孔内的物料以方便下次安装。
3 .关于启动设备启动前要保证充分的加热和熔化时间,以确保挤出机械工作前传感器的膜片部位的所有物料都处于熔化状态。
4 .安装位置传感器的探头部分可耐高温,但是外壳耐温需在80℃以下,所以在安装使用过程中一定要注意将安装好的传感器外
壳部分固定在室温环境中。外壳与高温区域隔离有利于提高传感器的测量精度和使用寿命。
5 .过载影响在实际压力控制过程之中,最好在额定压力之内,虽然传感器有一定的过载能力,但长时间的过载将影响传感器的测
量精度和使用寿命。
6 .传感器的电气连接在电气连接过程中,变送器的信号输出连接电缆必须单独通过布线槽进行连接,避免现场的干扰。
上海朝辉压力传感器
PT124B-11X刚性杆系列高温熔体压力传感器/变送器系列
PT124B-12X柔性管系列高温熔体压力传感器/变送器系列
PT124B-112刚性杆替代进口型高温熔体压力传感器/变送器系列
PT124B-123柔性管替代进口型高温熔体压力传感器/变送器系列
PT124B-21X工业常温系列压力传感器/变送器系列
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PT124B-28X工业防爆压力变送器系列
PT124Y-61X高温熔体隔膜压力表系列
PT124Y-62X卫生型隔膜压力表系列
PT124B-25X工程设备(盾构机)专用压力变送器系列
PT124B-23X空调、制冷机/压缩机专用压力变送器系列
PT124B-24X汽车专用压力变送器系列
WR-20X工业用温度传感器系列
BP10X爆破阀系列
CZL3/6系列 多维力/力传感器系列 三维力/六维力传感器
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上海朝辉主生产经营压力传感器、压力变送器、差压变送器、无线变送器、电磁流量计、卫生型隔膜压力表、液位传感器、高温熔体压力传感器、高温熔体压力变送器等各类传感器芯体及工控解决方案,欢迎来电咨询400-876-3876/

压力传感器温度补偿:麦克传感将携多种智慧物联解决方案亮相IOTE2021深圳物联网展

什么是“温漂”?
传感器在受到外界因素的干扰下,输出量通常会发生与输入量无关的,不需要的变化,这一类变化就称之为“温漂”,而产生漂移的主要是测量系统的灵敏度元件通常容易受到外界温度、湿度、电磁干扰和传感器调理电路的干扰。今天所要探讨的温度漂移,则主要是指由温度变化引起的半导体器件参数的变化。
为什么要对压力传感器采取温度补偿?
对于扩散硅压力传感器而言,由于测量现场温度变化引起的扩散硅电阻的变化与测量应变时扩散硅电阻的变化几乎有相同的数量级,从而给测量试验带来一定的温度漂移误差。温度误差的引入直接影响测量结果的精度,具体表现为:压力传感器静态工作点的输出电压由于被测介质温度变化而引起的输出波动。因此需要进行温度补偿。
“温漂”现象应该如何控制?
针对的压力传感器温漂,需结合具体原因,选择适宜的补偿方式实现对温漂的控制。常用的方法主要分为硬件补偿法和软件补偿法两种方式,麦克传感就是采用硬件补偿方法,在组成惠斯通电桥的四个电阻中,给相应的桥臂上串,并联上一定的阻值大小电阻,用以平衡4个扩散硅电阻初始值不匹配造成的零点漂移,以及它随温度变化而变化的温度漂移。
麦克传感是如何应对“温漂”,保证测量精度的?
像是麦克传感MPM288压力传感器,MPM281压力传感器以及MPM283压力传感器等产品,都是通过精密修调后的厚膜电路,对压力敏感元件进行一定温度范围的温度补偿和零点漂移修正,被测压力经过隔离膜片和内部介质传递到硅压阻是压力敏感元件上,实现了压力到电信号的精准转换。
麦克传感MPM288压力传感器量程范围0kPa~35kPa…35MPa,隔离式结构,适用于多种流体介质性能可靠,适用场合更加广泛。
麦克传感MPM281压力传感器量程范围0kPa~7kPa…100MPa,Φ19mm标准OEM压力敏感元件,宽温度补偿范围-10℃~80℃,长期稳定性可达±0.1%FS/年,运行更加稳定。
麦克传感MPM283压力传感器量程范围0kPa~200kPa…100MPa,Φ12.6mm小体积OEM压力敏感元件,宽温度补偿范围-10℃~80℃,耐压值高,稳定、可靠,特别适合中高压力的测量。
压力传感器使用时需要注意什么?
除此之外,在使用压力传感器时,为了延长传感器的使用寿命,节约更多成本,也需要注意一下几点:
(1)需注意压力介质的适应性:被测介质的腐蚀性、粘稠度、导电性,关注一些特殊的气体(氢气、氧气等);
(2)需注意供电大小与功耗;
(3)需注意电流为恒流还是恒压;
(4)需注意安装时,传感器的外形尺寸、压力与电器接口的选择;
(5)需注意环境温度和介质温度:被测介质的温度,不同的温度要选择与温度相适宜的密封圈,现在共有耐低温和耐超低温的密封圈可供选择,并且也需要考虑外围环境的温度。
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