压阻式压力传感器的压力响应

压阻式压力传感器的压力响应

压阻式压力传感器的用户期望收到线性压力响应,其中输出信号与所施加的压力成比例。 因此,压力信号图的曲线应为直线,其起点由零点位置指示,其灵敏度由梯度指示。

然而,压力信号曲线的真实形状或多或少总是显示出与理想线的较大偏离。 这种差异被称为压力传感器的线性误差。 另一方面,曲线的梯度对应其灵敏度。

从图中可以看出,当传感器以较低的灵敏度(约70%的标称芯片压力)使用时,使用曲线几乎全是线性的部分。 通过选择,发射机可以建立非常低的非线性(认为0.05%FS)。 然而,先决条件是操作范围位于芯片的线性部分内。

压阻式压力传感器的灵敏度

在线性规格中应注意的是,主要应用的是%FS(满量程,最终值)来表示。 在测量值方面,即使制造商规格列出了非常小的值,但是仍以%FS表示,若出现误差,结果很严重。在压力测量单元中,线性度取决于几个因素:

  • 半导体电阻器必须足够小并且扩散到硅隔膜上的精确的正确位置
  • 硅膜片必须是清洁净的且切口整齐,放置在正确的位置

线性度是变化的,无论是测量正压还是负压,意味着隔膜膨胀成凹形或凸形(拉伸或压缩负荷)硅隔膜的直径/厚度比必须在特定范围内。 非常薄的隔膜将随着叠加的拉伸而变形:在用于较低压力范围的换能器中,这种气球效应导致线性曲线的典型的S形路线(这不能通过模拟补偿方法校正)。对于非常厚的硅隔膜,要实现刚性固定在其边缘处的隔膜的预期结构亦是不可能了,因为,例如使用1000巴的传感器,隔膜的厚度是芯片本身的一半。

压阻式压力传感器的过载和爆破压力

线性曲线的典型过程大部分是非常线性的,然后是更加平稳的。 为了尽可能宽地输出信号,则要利用该曲线的最长的可能范围。直到达到大约三分之二的标记处,方向都是这样线性的则误差小于0.5%FS。 此外,线性误差变得更加显着,从而产生了精度测量的限制。除了非常低和非常高的压力范围之外,在测量单元故障之前,额定压力范围通常可以超过约50%。

为了增加过载保护,必须放弃宽有效信号的想法:必须使用压力传感器,其本身将用于更高的压力范围。 同时,例如,可以在电容式压力传感器中部署机械止挡件,用于该膜在压力下变形并且确保非常好的过载保护,这对于压阻式压力单元的具有最小偏转的、相对微小的硅膜是不可能的。

在STS,爆破压力定义为一种可以进入传感器的压力介质,因此金属膜片被破坏。 然而,换能器在这一点已经不再起作用。若使用投入式液位变送器、外壳、电缆连接器和电缆是确定的。因此,数据表中的换能器的突发压力值是可忽略的。

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。

安装方式会影响压力传感器的精度

安装方式会影响压力传感器的精度

不适当的压力传感器的安装方式会影响到压力测量的精度。尤其是小量程压力。

当压力传感器的安装位置不同于供应商校准时的安装位置,精度则会受到影响。在STS,压力传感器校准的标准是垂直向下的位置。如果用户垂直向上安装这些已校准的压力传感器,就会在压力测量过程中出现误差。

原因很简单。压力传感器垂直向上安装的话,压力传感器的实际重量会影响其精度。由于地球引力,膜片、填充物和传输流体作用于实际的传感器芯片上。这种现象在所有的压阻式压力传感器,中都很常见,但只对小量程压力有影响。

压力传感器的安装:注意小量程压力

在这种情况下,被测压力越低,测量误差越大。100mbar测量范围的压力传感器测量误差可以达到1%。所测压力范围越高,影响越小。测量1bar以上的压力,误差几乎可以忽略。

用户很容易可以检测到这种测量误差,特别是表压类型压力传感器时。如果用户需测量小量程压力而又不可能按照出厂校准的位置来安装测量仪器时,则需要按照实际安装位置进行再校准。

当然,通过适当的应用建议可以很容易地避免这种额外的工作。虽然ough STS 压力传感器按标准垂直向下校准,但很容易在不同的位置进行再校准。如有类似的使用顾虑,请提前跟我们销售人员沟通。我们会给出相关的专业建议以避免您不必要的额外工作。

压阻式压力变送器的介质兼容性

压阻式压力变送器的介质兼容性

在为各个应用选择正确的压力变送器时,除了要测量的压力范围 和现有的热条件之外,还必须考虑诸多标准。在这些缺点中,介质兼容性很重要:壳体和过程连接必须承受环境条件,这使得传感器可以在较长时间内执行其服务。

材料选择因此遵循两个重要的因素:一方面,对接触介质存在化学耐受性。 另一个因素是,预防性考虑也起着重要的作用。 它不仅应该澄清压力变送器是否将长期保持功能。 还必须确定在与特定物质接触时,压力变送器中使用的材料是否会导致危险 – 制药行业将是一个明显的例子。在下面,我们将显示哪些材料和哪些解决方案可能会出现哪些介质不兼容。

化学物理介质与密封剂材料和电缆的兼容性

在介质兼容性的考虑中不仅应包括外壳材料本身。 压力变送器的其它元件也与周围或过程介质接触,并且这些材料是需要特别考虑的。

大多数压力变送器都带有由弹性体制成的密封剂。 这里的问题是当弹性体与侵蚀性介质例如生物柴油接触时可以溶解。 在这种情况下,应使用前冲洗、焊接且不含弹性体的传感器。

另一个因素是用于传输测量数据的电缆。 我们这里将采用的示例是在游泳池中使用潜水探头。 出于卫生原因,游泳池使用氯化水。作为标准,潜水探头使用PE或PUR电缆。虽然氯化水单独对这些电缆没有问题,但从这种水上升的氯蒸汽确实起作用,因为这比水本身更具侵略性。这些电缆,在一段时间后,在水位以上的部分变得多孔(作为白色变色可见),然后水将渗入其中。 随后,传感器本身也会失效。 为此,在这种情况下应使用特氟龙电缆。

化学物理介质与外壳的兼容性

粘性介质

对于粘性介质,使用油漆作为示例,其中一个结果是在密封剂通道内产生沉积物。 为了防止污染,对于这样的应用需要没有任何死空间和没有开放压力通道的平滑膜,使得传感器可以不受残留物困扰。

研磨介质

当压力传感器与研磨介质(例如混凝土)接触时,不锈钢的简单膜提供不足的保护。在这种情况下,将需要涂覆有Vulkollan箔的膜。

电镀和酸性液体

镀铬压力变送器从美学的角度看更好,但在实际中它是并没有卵用。 当在电镀浴中使用具有金属壳体的压力计时,随着时间的推移,仅剩下非功能铬的团块。甚至酸性流体,例如硫酸,也会与金属反应。 因此,塑料外壳用于电镀和酸性液体。 最流行的解决方案是PVDF。

Image 1:错误的材质选择,造成的压力变送器的损坏

海水

盐水(取决于其盐度)会导致对不锈钢外壳的长期点蚀。 这就是为什么大多数潜水传感器和液位传感器也可用钛版本。

开放水域/防雷保护

闪电袭击虽不能被描述为一种媒介,但我们也将在这里探讨一下。 如果击打直接撞击传感器,则根本没有任何防雷保护。 但是,对于在开阔水域中使用的潜水探头,可以推荐浪涌保护。 因此可以防止过大的电压和由于紧邻的雷击对测量仪器的损坏。 当在偏远地区进行长期测量时,这是特别可取的。 这里更换有缺陷的设备将比浪涌保护本身更昂贵。

预防性媒体兼容性

压阻式压力传感器的硅芯片被传动液包围。 通常的选择是硅油。 虽然这种流体通常不会与周围介质接触,但是在这里必须注意这些事情,因为毕竟不能完全排除有缺陷的外壳。根据应用,有缺陷外壳可能导致严重的后果。

严重氧化气体和流体

当氧化气体和流体与油或油脂接触时,会产生爆炸的危险。 所有暴露在介质中的组件必须不含油和油脂,并且在预防性条件下也不含变速箱油。

食品和制药行业

在这种情况下,硅油必须用食品安全的油替代,以排除任何有害健康或以其他方式起作用的污染物。 例如,已经与硅油接触的啤酒将不再起泡,这很不受欢迎。

喷涂

即使一滴油也可以使整个批次不可用。 在这里,还必须找到一种替代方案。

压阻式压力传感器的介质兼容性:总结

用于单独应用的最佳压力变送器取决于许多因素。 因此,需要对相应客户应用的供应商方面的深入理解。 STS始终为客户提供面向需求的咨询,从而在最短的时间范围内提供可靠的可靠的解决方案 即使对于较低的设备体积也可做到。

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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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