正确解读压力传感器的精度值

正确解读压力传感器的精度值

在选择合适的压力变送器时,客户会考虑各种因素虽然一些作业环境需要特别大的压力范围或延长的热稳定性,但对于其他作业环境来说,精度是选择压力变送器的决定性因素。 然而,“精度值”并无标准可定义。 下面,我们为您提供各种观点的概述。

虽然“精度值”不是一个明确的规范,但它仍然可以由与准确性相关的值进行验证,因为这些都是在所有标准中定义过的。 然而,在各种制造商的数据表中,如何规定这些精度相关值,仍然完全取决于他们。 对于用户而言,这使不同制造商之间的产品比较变得复杂。 因此,大家就致力于如何在数据表中呈现精度值并正确解释这些数据。 毕竟,0.5%的误差也有有可能是精度值0.1% – 这仅仅是确定精度值所采用的方法的问题。

压力传感器的精度值:概述

被最广泛应用的精度值是非线性的。 这描绘了特性曲线与给定参考线的最大可能偏差。 若要确定给定参考线,有三种方法可用:终点调整,最佳拟合直线(BFSL)和最佳拟合零。 所有这些方法都会产生不同的结果。

最简单的方法是终点调整。 在这种情况下,参考线通过特征曲线的起点和终点。 另一方面,BSFL调整是导致最小误差值的方法。 这里,参考线被定位,使得最大正、负偏差在程度上相等。

最佳拟合零,在产生的结果方面,介于其他两种方法之间。制造商应用哪些方法通常必须直接查询,因为这些信息通常没有在数据表中注明。 在STS,通常采用根据最佳拟合调整的特征曲线。

三种方式比较:

测量误差是用户了解传感器精度的最简单的数值,因为它可以直接从特征曲线读取,并且还包含室温下的相关误差因子(非线性,迟滞,不可重复性等)。 测量误差描述了实际特性曲线与理想直线之间的最大偏差。 由于测量误差反映的值比非线性大,所以制造商在数据表中并不经常说明。

还应用另一个精度是典型精度值。 由于各个测量装置彼此不相同,制造商会提供一个最大值,仪器测量结果不会超过最大值。 因此,所有设备都不能实现所谓的“典型精度值”。 然而,可以假设这些装置的分布对应于高斯分布的1西格玛(意指大约三分之二)。 这也意味着一批传感器比所述传感器更精确,另一批传感器不太精确(尽管不会超过特定的最大值)。

听起来似乎是矛盾的,但是精度值实际上可能在精确性上会有不同。 实际上,这意味着根据终点调整,最大非线性误差为0.5%的压力传感器与根据BSFL调整的典型非线性误差为0.1%的传感器完全一样准确。

温度误差

在非线性情况下,典型精度值和测量误差的精度值是指在通常为25°C的参考温度下的压力传感器的测量结果。 当然,也有可能发生非常低或非常高的温度的应用。 由于热条件影响传感器的精度,因此必须另外包括温度误差。了解更多关于压阻式压力传感器的热特性。

精度:长期稳定

产品数据表中准确性的条目在生产过程结束时提供有关仪器的信息。从这一刻起,设备的精度可以改变。这是完全正常的。传感器寿命过程中的变化通常被指定为长期稳定性。这里也是指实验室或参考条件。这意味着,即使在实验室条件下的广泛测试中,所述长期稳定性也不能对真实的操作条件进行准确的量化。需要考虑的因素有很多:热条件,振动或实际压力都会影响产品寿命的精度。

这就是为什么我们建议每年检测一次压力传感器,以符合其规格。在精度值方面,检查设备的数值变化是非常重要的。为此,在非加压状态下,通常检查零点以进行变化。如果这大于制造商的规格,该单元可能有缺陷。

压力传感器的精度可能受多种因素的影响。因此,强烈建议事先咨询制造商:在哪种条件下使用压力变送器?可能出现什么可能的错误来源?仪器如何最好地集成到应用程序中?数据表中指定的精度如何计算?以这种方式,您可以最终确保您作为用户接收的压力变送器能最佳地满足您的精确性要求。

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业的用户得到的数据往往来源于制造商提供的样本信息。这里特别指的是精度信息。因此,专业术语的了解对综合评估特定压力测量仪器时是十分重要的。

关于精度, 无法给予一个标准的定义。因为,不受制于任何的标准。然而,这并不适用于与精度定义相关的术语,包括特性曲线,迟滞,非线性,非重复性和测量误差。下面我们将简要的解释这些术语。

特性曲线

特性曲线显示了输出信号(测量值)和输入信号(压力)的相互依存关系。在理想状态下,特性曲线是一条直线。

非线性

基准线和特性曲线的最大偏差(正或负)被描述为非线性。基准线本身有三种不同方式决定校准,最佳拟合直线(BFSL)和最佳零点调节。每种方式会得出不同结果,欧洲最常用的方式是极值点调整。这里的基准线贯穿了特性曲线的起始点和终点。

测量误差

测量误差或测量偏差,描述的是显示数值和“准确”数值的偏差。这里所谓的“准确”值是理想情况下的,在实际操作中只能通过标准条件下的高精度测量设备取得,诸如在校量过程中的基本标定方法。绝对误差通常使用和测量值相同的单位,而相对误差是相较于正确值,并且单位不是唯一的。

零点和量程误差

在传感器生产过程中,与标准参考设备会存在误差。测量范围起始点和终值的测量偏差被称之为零点和量程误差。量程误差指的是实际输出量程与规定输出量程之差。零点误差是目标基准线的理想零点和实际特性曲线真实输出值之间的差值。

在非承压状态下,用户可以轻易的读取零点误差值,为了消除它,用户必须输入一个补偿作为抵消到评估单元里。量程误差的消除是很难做到的,因为压力测量范围的上限必须要尽可能精准。

迟滞

显示值不仅取决于输入值(这里指压力),也取决于输入值之前的测量值。

如果把升压特征曲线和降压特征曲线做比较,可以观察到输出信号,尽管在相同的压力下,它们本身数值其实是不相同的。这两个特征曲线之间的最大偏差称之为迟滞现象,并以满量程的百分比来表示。

非重复性

即使在相同的条件下测量,压力变送器电子部分也会受到随机条件的影响,这是因为在连续测量的情况下,输出信号在相同的压力下是不同的。在同一方向上连续三次测量的最大偏差被称之为非重复性。用户所认可的可信赖的压力测量仪器是它的最小非重复性。

类似于迟滞现象,非重复性也是不可补偿的。

温度误差

温度的变化直接影响到压力传感器的特性。举个例子,应用在压阻式压力传感器中的半导体电阻,随着温度的增加而降低。 制造商通过平衡热特性来完善他们的产品。温度相关的误差要么通过传感部分直接补偿,或者在电路部分进行。一些设备还集成温度原件来补偿温度相关的误差。总之,误差只能被缩小而不能完全消除。有些制造商通过温度系数表达其他的一些温度误差。

过载压力-过压

超出的特定误差限值在过压范围内,那么压力传感器不会受到永久损害。

爆破压力

爆破压力指的是使压力传感器传导部分发生形变的压力,这会造成机械上的损坏。

长期稳定性

外在因素影响测量仪器。出于此原因,在经过多年的使用后特征曲线也会随之发生变化。长期稳定性(也是长期漂移)是制造商在实验室条件下确定的,并在数据表中以满量程的百分比按照年的单位表示出来。

然而设备的实际操作条件和测试条件有很大的不同。制造商之间的测试流程也是有很大不同的,这样使得数据之间相比较非常困难。一般情况下,建议压力传感器每隔一段时间做次校准必要时进行调整。

精度:曲线的不一致性

正如一开始所提到的, “精度“ 不是一个固定值。它偶尔也会有另外一种叫法,即“曲线的不一致性”。这是根据IEC 770所描述的最大总误差,包括线性偏差和迟滞,以及非重复性。因此,它是在测量范围的上限上偏离理想的特征曲线并以百分比表示。

Download the free STS infographic on total error here:

压力传感器的长期稳定性

压力传感器的长期稳定性

诸如温度和机械应力等因素对压力传感器的长期稳定性有负面影响。而生产过程中的不断测试则会将影响降到最低。

生产厂家通常会在产品资料里强调他们的压力传感器的长期稳定性能。这些产品资料中所给出的值是在实验室条件下得出的,例如,小于满量程0.1%的长期稳定性指的是压力传感器在一年的使用周期里总误差下降不超过量程的百分之0.1。

压力传感器通常需要一段时间才会“稳定”。正如前面提到的,零点和灵敏度(输出信号)是这里的主要因素。用户通常会注意到零点的漂移,因为它们很容易识别并进行调整。

如何优化长期稳定性?

为达到最佳长期稳定性,这意味着在产品生命周期中只能出现最小的漂移,核心元件必须是准确的:传感器芯片。高质的压力传感器是长期稳定性能保证。以压阻式压力传感器为例,是使用基于惠斯顿电桥的硅芯片实现的。稳定的压力传感器需要在生产过程一开始就打下好的基础。因此,硅芯片对性能长期稳定的压力传感器的生产至关重要。

传感器的组装也是起到决定性作用的。硅芯片被灌胶到壳体里。由于温度和其他因素的影响,浸入胶体的芯片可能会移动,因此也会影响硅芯片上的机械应力。因此测量结果越来越不准确。

实践证明,新的传感器需要一段时间才能真正稳定——特别是在第一年。用的越久传感器越稳定。为了摈除不良发展的趋势,并且能够更好地评估传感器,通常在离厂前进行一些老化和其他测试。

为使新的压力传感器稳定,STS 在一周内对它们进行热处理。这种所谓的“变动”通常会出现在第一年,因此在很大程度上是可以预见的。因此热处理是人工老化的一种形式。

Image 1: 压阻式压力测量芯体的热处理

传感器会进行进一步的测试以确定它的特性。这包括评估在不同温度下的单只传感器的运行以及设备长期处于超压状态下的加压处理。这些测量用来确定每只传感器的特性。这是为了在不同的环境温度下(温度补偿)。

因此,长期稳定性很大程度上取决于产品质量。当然,定期的校准和调试可以帮助纠正任何漂移。然而,在大多数应用中这都不是必需的:合格的传感器长期内都会保持稳定的性能。

长期稳定的重要性

长期稳定性的关联取决于应用。然而,它在低压力范围内当然是更重要的。一方面,这是由于外部因素对信号有很大的影响。芯片机械应力的细微变化对测量结果的精度有更大的影响。此外,低压力应用的压力传感器通常都是基于硅芯片的,这种芯片的膜片厚度通常小于10μm。

Image 2: 注胶后的硅芯片

尽管如此,长期的稳定性的同时保持精度在物理上是不可能的。诸如压力滞后和温度滞后现象是不能完全消除的。也可以说它们是传感器的特性。对于高精度应用行业,压力和温度滞后不应该超出总量程的0.02%。

还应该提到的是物理定律对传感器的长期稳定性有一定的限制。在特别苛刻的诸如多变、高温的应用中,损耗是很正常的。持续高温超过150 °C的工况会最终损坏传感器:与惠斯通电桥电阻连接的金属层,会融入到硅材料中,最终消耗殆尽。

在这种极端情况下使用压力测量或要求最高精确度的用户需要提前跟 制造商讨论各种可行解决方案。

总误差和精度的关系

总误差和精度的关系

在购买压力传感器时,精度通常是终端用户考虑的主要因素。涉及到精确度的各种专业术语,我们之前已经解释过了。然而,精度只是总误差的一部分,总误差也会出现在压力变送器的产品资料中。

接下来,我们将会解释产品资料中的总误差的意义,以及在选择压力变送器中它所扮演的角色。首先要说明的是精度并不能直接体现出总误差。它取决于各种因素,例如传感器是在哪种条件下使用。我们可以从Fig1 看出误差的三个方面:可调误差,精度和温度影响。

Figure 1: Origins of total error

正如我们在上面图例中所看到的,可调误差由零点和量程误差组成。

“可调误差”名称起源于零点和量程误差可以很容易的识别和调整。

这些误差是用户不希望出现的。事实上STS 压力传感器在出厂前已针对两者做了校正。

长期稳定性也称之为长期误差或长期漂移,是操作过程中出现零点和量程误差的原因。这意味着这两个可调误差可能会在长时间使用传感器后重新出现甚至“恶化”。通过校准和其后的调整,这种长期漂移可以被重新校正。点击了解更多关于校准信息。

精度

精度也会出现在产品资料的“特征曲线偏差”中,这种缺乏概念清晰度的原因归结于“精度”这个词本身不受任何有法定标准的标准限定。

这个术语包含非线性误差,迟滞(压力)误差和非重复性误差(如Fig2所示)。非重复性描述的是当一个压力传感器被连续几次测量时所产生的偏差。迟滞指的是在测量压力时升压及降压行程期间,相同的压力下输出信号是有差值的。然而,这两个因素在压阻式压力传感器中出现时非常少的。

对于精度和总误差影响最大的归结于非线性。这是在压力增加或是降低的时候与基准线比较得出特征曲线最大的正负偏差。了解更多相关术语。

Figure 2: 压力测量多次产生的与特性曲线之间的差值称作非线性

热效应

温度波动会影响到压力传感器的测量值。还有一种称之为温度迟滞的影响。一般来说,迟滞表示的是通过正向和反向路径,测量相同的点所产生的系统偏差。关于温度迟滞,这里的迟滞描述的是当特定温度增加或降低时,在某一温度下的输出信号的差值(即偏差)。在STS的产品中通常在25℃情况下。

Figure 3: 压力变送器的典型热效应表现

总误差或精度

当然,各方面所产生的一个主要问题是用户在选择传感器时应该最关注的是什么?具体案例具体分析。由于可调误差已经在工厂校正,所以只起到次要作用。在此种情况下,传感器通常在使用一年后做次校准和调试。

在采购新的传感器时,精度和热效应起到决定性作用。关键问题是:我是否是在受控条件下测量压力?这意味着当用户在校准期间(通常25℃)在基准温度附近进行测量时,热效应基本上可以忽略不计。然而,当在较大温度范围内进行压力测量时,总误差的定义就变得非常重要了。

以下是STS ATM.1st 压阻式压力传感器 参数(Figure 4):

Figure 4: 摘录自ATM.1st参数表

ATM.1ST的技术参数列出了精度和总误差,精度在不同的压力下进行了细分。给定数值来源于室温下的非线性,迟滞和非重复性。用户希望在可控温度条件下(室温)进行测量,这样使得他们可以得到特定的精度值。

另一方面,参数表中所描述的总误差也包含了温度影响。此外,总误差还增添了“典型”和“最大”项。这些中的首个描述的是典型总误差。不是所有压力传感器都是完全相同的,它们的精度稍有不同。传感器的精度与正态分布相对应。这意味着在整个压力和温度范围内,90%的测量值是和总误差所设定的值是相对应的。剩余测量值则被归结于最大总误差。

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