wiadomości o firmie Jak zminimalizować przesunięcie czujników ciśnienia

Zjawisko dryftu temperatury czujników ciśnienia może powodować wahania odczytów, dopóki system nie osiągnie temperatury roboczej. Sytuacja ta zazwyczaj ma niewielki wpływ. Jednak w sprzęcie medycznym, takim jak respiratory szpitalne, urządzenia do badania czynności płuc i monitory noworodków, które wymagają ciągłej wysokiej precyzji, ten dryft temperatury jest nie do zaakceptowania. Sprawdzenie podstawowego piezorezystancyjnego czujnika ciśnienia pomaga zrozumieć wpływ dryftu podczas nagrzewania.

Czujnik ten składa się z korpusu głównego (tj. „układu”) i cienkiej silikonowej membrany z czterema piezorezystancyjnymi strukturami skrętnymi na jej powierzchni. Elementy piezorezystancyjne zmieniają swoje wartości rezystancji wraz ze zmianami naprężeń i są zwykle rozmieszczone w strukturze mostkowej i precyzyjnie zainstalowane na powierzchni membrany, aby zwiększyć reakcję na deformację membrany. Ta konstrukcja może skutecznie poprawić czułość reakcji, gdy zmienia się różnica ciśnień po obu stronach membrany.

Istnieją dwa główne źródła dryftu podczas nagrzewania w podstawowych czujnikach ciśnienia. Jednym z nich jest przesunięcie podczas nagrzewania elementu czujnikowego. Gdy system osiągnie temperaturę roboczą, rura, temperatura powierzchni i wynikające z tego gorące punkty (kontrybucja powierzchni) powodują brak równowagi w mostku rezystancyjnym na układzie i powierzchni membrany. Wzrost temperatury elementu rezystancyjnego jest proporcjonalny do rozpraszanej mocy, a tym samym proporcjonalny do kwadratu napięcia wzbudzenia czujnika (ΔTαV2).

Dlatego, gdy napięcie wzbudzenia zostanie zmniejszone o połowę, wzrost temperatury elementu czujnikowego zostanie zmniejszony o jedną czwartą, zmniejszając tym samym stan nagrzewania powierzchni czterokrotnie. Ponieważ poziom sygnału czujnika również zostanie zmniejszony o jedną czwartą w obu przypadkach (przy obniżonym napięciu zasilania), ogólnym efektem jest zmniejszenie błędu nagrzewania spowodowanego kontrybucją powierzchni o połowę. Jednak zmniejszenie zasilania czujnika będzie miało niekorzystny wpływ na poziom szumów elektronicznych systemu.

Innym preferowanym rozwiązaniem jest dostosowanie napięcia zasilania czujnika do wymagań przepustowości systemu. W szczególności czujnik jest zasilany tylko wtedy, gdy jest to potrzebne. Ta konstrukcja dostosowuje czas włączenia czujnika do średniego cyklu pracy (tj. cyklu roboczego), skutecznie tłumiąc zjawisko dryftu termicznego podczas uruchamiania. Chociaż mechanizm implementacji tej metody jest nieco bardziej złożony, oferuje doskonałą wydajność bez wpływu na poziom szumów systemu.

Tutaj okres p między impulsami zasilania aplikacji odnosi się do czasu, w którym zasilanie jest wyłączone plus czas, w którym zasilanie jest włączone. Jest to czas wymagany do ustabilizowania się wszystkich sygnałów i do tego, aby czujnik dokonał odczytów.

Na przykład, rozważmy urządzenie, które musi dokonywać odczytów co 500 ms, z czasem stabilizacji 4 ms i czasem akwizycji sygnału 1 ms. W porównaniu z systemem niemodulowanym, średnia moc czujnika wynosi tylko 1% zastosowanej mocy ((1 ms + 4 ms) / 500 ms). Oczywiście, ten okres czasu zależy od wymagań dotyczących próbkowania aplikacji. Ze względu na wpływ ładunków powierzchniowych, stałość p i czasu t jest bardzo ważna. Jednak biorąc pod uwagę korzyści z regulacji zasilania czujnika, jest to drugorzędne ograniczenie.

Technologia kompensacji temperatury

Inną podstawową przyczyną dryftu podczas nagrzewania jest w rzeczywistości bardziej związana z charakterystyką czujnikową, która jest ściśle powiązana z technologią kompensacji temperatury systemu. Takie systemy są zwykle wyposażone w zewnętrzne czujniki temperatury w celu kalibracji czujnika ciśnienia w celu wyeliminowania wpływu temperatury. W systemie z dwoma czujnikami gradient temperatury zostanie wygenerowany między urządzeniem zewnętrznym a powierzchnią membrany. Czas potrzebny na ustabilizowanie się tego gradientu temperatury będzie postrzegany jako zjawisko dryftu podczas nagrzewania.

Używając rezystancji czujnika (rezystancji mostka, która zmienia się wraz z temperaturą) jako elementu czujnikowego temperatury, wpływ ten można zminimalizować. Tutaj mostek czujnika ciśnienia zastępuje termistor (rezystor używany do pomiaru zmian temperatury) typowo stosowany w obwodzie, skutecznie tworząc mostek Wheatstone'a. Mostek czujnika ma stosunkowo wysoki dodatni współczynnik temperaturowy (TCR), więc wzrost temperatury stopniowo spowoduje, że napięcie wyjściowe sygnału (Vt) części monitorującej temperaturę obwodu wykaże ujemną zmianę. Zmiana Vt w stosunku do napięcia odniesienia (Vref) jest w rzeczywistości skutecznym pomiarem samej temperatury czujnika. Elektronika systemu wykorzystuje ten pomiar jako kalibracyjną referencję temperatury dla czujnika ciśnienia. Ponieważ nie ma potrzeby polegania na zewnętrznym czujniku temperatury, w systemie nie ma gradientu temperatury, eliminując w ten sposób tak zwane zjawisko dryftu podczas nagrzewania. Co więcej, łącząc regulację zasilania i techniki kompensacji temperatury, wpływ dryftu podczas nagrzewania można prawie całkowicie wyeliminować.