力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?

2021/11/07 19:25 · 传感器知识资讯 ·  · 力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?已关闭评论
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力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?原标题:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?压力传感器是现实生活中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业控制,汽车电子,医疗设备,本文主要针对应变电阻惠斯通电桥式传感器的生产标定做出简要说明,仅供压力传感器工程人员参考。传感器特性图1为直流电桥,当

传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?

原标题:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?

压力传感器是现实生活中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业控制,汽车电子,医疗设备,本文主要针对应变电阻惠斯通电桥式传感器的生产标定做出简要说明,仅供压力传感器工程人员参考。

传感器特性

图1为直流电桥,当前输出电阻无限大时,则前桥的输出可简化如下:

图2(左)为xxx型压力传感器输出特性曲线。分别为在-40°,0°,25°以及85°温度环境中测试电桥在不同压力下输出。实际应用中我们往往期望传感器输出与温度无关且线性,如图2(右)。受限于MEMS设计制作工艺、材料物理特性等,MEMS传感器本身很难达到理想要求,实际应用中往往需在MEMS后端加入信号调理芯片对其进行校准。

由图2可看出传感器输出不理想因素主要有:零点漂移(offset),灵敏度(Sensitivity),以及其非线性(Nonlinearity)。其中零点漂移(offset)和灵敏度(Sensitivity)均受温度影响,即体现为温度系数。可分别由如下公式表示:

公式1为理想传感器输出特性,而实际传感器特性则需借助于公式2,3,4分别对非线性(Nonlinearity),零点漂移(offset),灵敏度漂移(Sensitivity)进行描述。

Vout: 引入温漂、非线性后的传感器输出

V0:非线性拟合多项式展开基准点

kn:n阶非线性系数

Tstand:多项式拟合温度基准点

tcn:零点漂移(offset)n阶温度系数

tsn:灵敏度(Sensitivity)n阶温度系数

信号调理芯片介绍

传感器信号调理芯片通常可以提供对前端传感器采集数据进行放大、校准和温度补偿的功能,从而使得传感器器件具有稳定可靠进行工作,并且使得器件之间具有良好的一致性。除使用集成式的信号调理芯片外,传统方案也可以使用外围分立电路来实现传感器的校准与标定,但效率低下,且效果依赖于人工与经验,不适于规模生产。而通过信号调理芯片的使用,能够免除手工校准的繁杂工作,并且提高传感器器件的可靠性。常见的桥式信号调理芯片型号包括德国ZMDI公司的ZSC,美国美信公司的MAX1452,以及苏州纳芯微电子公司的NSA2300。接下来本文将以NSA2300为例介绍信号调理芯片对传感器进行校准的相关说明。NSA2300为一款专为桥式传感器提供的高集成、低功耗、高精度的传感器信号采集、放大和校准的传感器接口芯片,可以用于压力传感器调理,磁传感器调理,各类应变式传感器接口等。NSA2300可为传感器提供零点偏移及其温度补偿,灵敏度及其温度补偿以及非线性补偿,不需要其他额外的外部器件支持。NSA2300还提供多种温度测量模式,同时支持I2C/SPI数字输出和模拟输出,并可通过复用模拟输出引脚(AOUT)进行单线数字通讯(OWI)。

主要性能指标:

1、超宽的工作电压范围:1.8V ~ 5.5V

2、超宽的工作温度范围: -40 ℃~ 125 ℃

3、同时支持24位ADC数字输出和12位DAC模拟输出

4、优秀的噪声性能:600nV@OSR=1024X, Gain=32X (等效到输入噪声)

5、校准精度:0.05%FSO (同时支持二阶温度系数、三阶非线性校准)

6、超快转换时间:2ms@OSR=1024X

7、支持休眠工作模式,大幅减轻MCU负担

8、1X-128X可变增益的低噪声放大器

9、支持传感器诊断及输出箝位功能

10、高精度内部温度传感器 (绝对精度<0.5℃,分辨率<0.01 ℃ ) 11、支持多种外部温度传感器 (二极管,二端、三端热敏电阻等) 12、支持I2C/SPI串行通信接口 13、支持单线编程(复用模拟输出引脚) NSA2300校准原理: NSA2300可分别对零点漂移(offset),灵敏度(Sensitivity)校准至二阶温度系数,以及三阶非线性系数。 首个垂直实效的互联网+传感器行业平台,为全球范围内的行业客户提供专业传感器选型及购买服务!找传感器,上必优网文章侵删!返回搜狐,查看更多 责任编辑: 力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?  第1张

力传感器校准:力传感器的标定方法

  主要功能
  常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟: 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 压敏、温敏、 传感器(图1) 流体传感器——触觉 敏感元件的分类: 物理类,基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 化学类,基于化学反应的原理。 生物类,基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。 通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类(还有人曾将敏感元件分46类)。
力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?  第2张

力传感器校准:如何对压力传感器进行高精度校准?

压力传感器是现实生活中更为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业控制,汽车电子,医疗设备,本文主要针对应变电阻惠斯通电桥式传感器的生产标定做出简要说明,仅供压力传感器工程人员参考。
传感器特性

图1为直流电桥,当前输出电阻无限大时,则前桥的输出可简化如下:

图2(左)为xxx型压力传感器输出特性曲线。分别为在-40°,0°,25°以及85°温度环境中测试电桥在不同压力下输出。实际应用中我们往往期望传感器输出与温度无关且线性,如图2(右)。受限于MEMS设计制作工艺、材料物理特性等,MEMS传感器本身很难达到理想要求,实际应用中往往需在MEMS后端加入信号调理芯片对其进行校准。

由图2可看出传感器输出不理想因素主要有:零点漂移(offset),灵敏度(Sensitivity),以及其非线性(Nonlinearity)。其中零点漂移(offset)和灵敏度(Sensitivity)均受温度影响,即体现为温度系数。可分别由如下公式表示:

公式1为理想传感器输出特性,而实际传感器特性则需借助于公式2,3,4分别对非线性(Nonlinearity),零点漂移(offset),灵敏度漂移(Sensitivity)进行描述。

Vout: 引入温漂、非线性后的传感器输出
V0:非线性拟合多项式展开基准点
kn:n阶非线性系数
Tstand:多项式拟合温度基准点
tcn:零点漂移(offset)n阶温度系数
tsn:灵敏度(Sensitivity)n阶温度系数
信号调理芯片介绍
传感器信号调理芯片通常可以提供对前端传感器采集数据进行放大、校准和温度补偿的功能,从而使得传感器器件具有稳定可靠进行工作,并且使得器件之间具有良好的一致性。除使用集成式的信号调理芯片外,传统方案也可以使用外围分立电路来实现传感器的校准与标定,但效率低下,且效果依赖于人工与经验,不适于规模生产。而通过信号调理芯片的使用,能够免除手工校准的繁杂工作,并且提高传感器器件的可靠性。常见的桥式信号调理芯片型号包括德国ZMDI公司的ZSC,美国美信公司的MAX1452,以及苏州纳芯微电子公司的NSA2300。接下来本文将以NSA2300为例介绍信号调理芯片对传感器进行校准的相关说明。NSA2300为一款专为桥式传感器提供的高集成、低功耗、高精度的传感器信号采集、放大和校准的传感器接口芯片,可以用于压力传感器调理,磁传感器调理,各类应变式传感器接口等。NSA2300可为传感器提供零点偏移及其温度补偿,灵敏度及其温度补偿以及非线性补偿,不需要其他额外的外部器件支持。NSA2300还提供多种温度测量模式,同时支持I2C/SPI数字输出和模拟输出,并可通过复用模拟输出引脚(AOUT)进行单线数字通讯(OWI)。
主要性能指标:
1、超宽的工作电压范围:1.8V ~ 5.5V
2、超宽的工作温度范围: -40 ℃~ 125 ℃
3、同时支持24位ADC数字输出和12位DAC模拟输出
4、优秀的噪声性能:600nV@OSR=1024X, Gain=32X (等效到输入噪声)
5、校准精度:0.05%FSO (同时支持二阶温度系数、三阶非线性校准)
6、超快转换时间:2ms@OSR=1024X
7、支持休眠工作模式,大幅减轻MCU负担
8、1X-128X可变增益的低噪声放大器
9、支持传感器诊断及输出箝位功能
10、高精度内部温度传感器 (绝对精度<0.5℃,分辨率<0.01 ℃ ) 11、支持多种外部温度传感器 (二极管,二端、三端热敏电阻等) 12、支持I2C/SPI串行通信接口 13、支持单线编程(复用模拟输出引脚) NSA2300校准原理: NSA2300可分别对零点漂移(offset),灵敏度(Sensitivity)校准至二阶温度系数,以及三阶非线性系数。力传感器校准:【技术贴】如何对压力传感器进行高精度校准?  第3张

力传感器校准:掌握力传感器校准方法,正确使用力传感器

  力传感器是一种将力信号转变为电信号输出的电子元件。其种类丰富多样,其功能也十分强大。而力传感器的校准又是十分具有学术性的,因此,经常被用来作为学者们或者毕业生们研究讨论的一个人重点话题。那么,力传感器是怎样被校准的呢?它的校准过程需要经历怎样的过程呢?小编接下来就将详细地为您解答力传感器的校准过程,以便您能更清楚地了解力传感器的使用,为您的使用也带来一些帮助与指导。
  压力是气动和流体测量的重要参数,在风洞实验和流体测量中大量使用压力传感器或压力变送器。因此如何采用最新虚拟仪器技术来校准和计量传感器,保证和改进测量精准度已成为必不可少的一项重要工作。
  
  压力测试或计量的重要环节是压力数据的精确采集。在压力计量中,规范了传感器的静态特性测试条件,如环境温度,压力基准,供电电源等。其中检测仪器的基本误差δ应小于传感器基本误差的1/5 ~ 1/10,因此当采用计算机系统实现压力校准和数据自动采集时,应注意配置高抗干扰能力的性能优良的模数变换器,例如16位精度的a/d变换器,或者能与计算机实现数字通信的多位精密数字电压表。
  
  压力传感器的静态工作特性必须遵照国家标准的检定过程进行。传感器的工作特性也常用直线方程表示。即
  式中a为截矩;b为斜率;v为对应于压力p的传感器输出。
  
  遵照检定规程要求,对于传感器在顺序重复多次循环加减载后,用计算机获取的数据可用端点平移法或最小二乘法求取直线的特性参数
,b,并计算出被检测传感器的性能参数,如量程、重复性误差、迟滞、线性误差和包含有随机误差与系统误差在内的传感器基本误差(不确定度)。
  传感器采用实时校准方法,即在现场对压力测量系统所用的传感器进行即时标定和校准,因此可以消除传感器的温度和灵敏度偏移所产生的误差,进一步提高传感器测试精度。要实现压力传感器的实时校准必须提供一个精密度更高的程控基准源,例如美国780b电子扫描系统或8400系统,采用0.02%精度的压力基准,可程控给出不同的基准气压,此时传感器的静态特性用非线性方程表示,即:
  输入压力p与传感器输出电压v的静态函数关系,可用方程式描述为
  
  称为压力传感器静态方程。其中
为截矩,b1,…,bn为系数。
  看到上面的力传感器校准方法,是否懂得了一些门路呢?在购买力传感器后,是否对它的使用又有了更深一步的理解了?其实,力传感器的校准方法看起来比较繁杂,比较难以操作,但是实际过程却是十分简单,如若您自己无法解决,可以寻找专业人员帮助您解决这个问题。当然,如果您自己解决此类问题,请严格遵循以上的操作规范进行校准,以便您能正确地使用力传感器。

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