傳感器的誤差

只要有測量就一定存在誤差。對于具體應用而言，即使有誤差，從某種意義上來講，誤差卻也是相對的，只要誤差在允許的范圍之內，就可以被接受，并且專業的用戶一般在實際應用中會遵循“適用，優選”的原則來選擇傳感器。壓力傳感器在應用中，其關注的特性包括但不限于以下幾種特征：

壓力測量范圍：FSO-kPa（差壓/靜壓，表壓/密封表壓，絕壓）

壓力測量誤差：±kPa

測量分辨率：kPa/bit

工作電壓/電流

存儲、工作溫度范圍，測量介質

壓力測量響應特性,重復性，長期穩定性

在這些壓力參數之下，掩藏著一顆將壓力轉換為電信號的壓力傳感器芯體或者模塊。測量壓力有多種原理方式，但不是每種原理都可以涵蓋所有的壓力類型及壓力范圍：

硅壓阻

濺射薄膜

硅諧振

電容式

電渦流

力平衡熔石英波登管

應變片…

關于誤差分析，以下內容將針對硅壓阻方式的壓力傳感器進行一個簡單的說明。

圖-1硅阻壓力傳感器從硅片到各型封裝應用

在圖-1中，列舉了當前在各個領域中廣泛應用的基于硅壓阻壓力傳感器從裸片到若干封裝的幾個典型形式。產品類型中有的僅作外部封裝，有的將對應量程輸出模擬信號經過溫度補償和校準，可以進行互換操作的，有的進一步將模擬信號放大處理的，及進一步數字化處理后輸出，有的進行數字化校準后使用相應的接口協議在工業界廣泛應用的壓力變送器形式的，以及在汽車，醫療等行業的應用中，集成其它諸如溫度或者氣體等傳感器的成為一種綜合形式的模塊。當然，也有利用待測介質的壓力特性測量其它對應的物理量，比如用于呼吸機等領域的基于低差壓傳感器的流量傳感器等。

一般而言，在未經數字化處理之前的壓力傳感器，多會在產品的特性欄中描述遲滯（壓力、溫度）及線性度、溫度系數等特征參數，而經過數字化處理后的壓力傳感器或者變送器，在描述輸出信號特性的時候，大多不再描述這些參數指標，而是提供總體的測量精度等參數。這種差異并不是因為數字化可以消除類似遲滯等特性，而是數字化處理后很難再區分是因為傳感器元件的測量信號還是固件處理本身引起的某些類似遲滯等特性，因此一般均把遲滯、溫度特性等引起的元件測量誤差和量化處理誤差綜合成為了產品最終的測量精度、誤差及長期穩定性的描述上更為合理。

數字調理往往較少對傳感器電橋的對稱性進行處理。如果考慮到硅阻壓力傳感器在0負載點輸出的偏差 (Offset)分布對于前端放大電路增益的影響，以及后續ADC部分對有效信號（FSO）因增益的變化導致的分辨率變化，則需要統籌考慮。數字化后的輸出除非需要，否則Offset都從指定的0點計算。

模擬補償和校準，可以在ADC參與處理之前通過改善對稱性(0點Offset輸出接近于0V輸出)、溫度敏感性及輸出一致性等方面，使得產品的互換性方面有明顯的提升。因此兩種方式均有各自的特點，這里在分析壓力傳感器的誤差時，將不會對數字化之后的壓力產品進行進一步分析，而僅限于利用電阻網絡進行溫補和校準后的壓力產品。

基于硅阻壓力傳感器的特性，其誤差處理時，一般分為兩種類型的誤差：

可補償誤差（一般為溫度影響所致，具重復性）

不可補償誤差（一般為壓力、溫度及封裝應力等所致，不可重復）

當然，即使是可補償部分的誤差，也會因為不同的補償處理方式獲得不同精度的誤差抵消。

為后續誤差分析，在圖-2中，展示了硅阻壓力傳感器一般的輸出特性。圖中所示術語如下：

Zero: 理想參考零點

Offset: 實際零負載輸出偏差，即施加0負載壓力時的輸出電壓信號

FSO：滿量程輸出，從施加滿量程壓力時輸出到零點輸出信號差

BFSLNL：相對最佳擬合直線的非線性度 (Non-Linearity/Best Fit Straight Line)

傳感器的特征值及誤差分析

以下就Amphenol NOVA的一款中壓100kPaG硅阻壓力傳感器進行封裝、校準溫補之后的316L不銹鋼硅油隔離性產品NPI-19-101G進行初步分析。計算中并不涉及周邊放大電路及信號處理部分。

表-1：NPI-19VC-101G壓力傳感器參數表(1)

表-2：誤差計算從25℃到70℃

1.可補償是指可以經過溫補和壓力校準之后進一步縮小范圍和大小的誤差特性

2.一般長期穩定性包涵在短期穩定性特性中，所以計算誤差使用短期穩定性即可

5μV/V×10V×0.001/100mV=0.05%

0.1μV/V×10V×0.001/100mV=0.001%

3.Offset和FSO偏差所致誤差計算：(±1mV/100mV×100)=1%

4.Error_1 R.S.S.Max = √(1^2+1^2+〖0.2〗^2+〖0.75〗^2 )(%FSO)

5.Error_2 R.S.S.Max = √(〖0.05〗^2+〖0.2〗^2+〖0.05〗^2 〖+0.05〗^2 )(%FSO)

6.綜合最大誤差=√(〖(Error_1)〗^2+〖(Error_2)〗^2 )(%FSO)

7.傳感器電橋固有的熱噪聲包涵在以上各項測試參數中

從最后結果來看，很難想象這個硅壓傳感器在校準之前同樣情況下的偏差可以達到±10%FSO以上。

后記

如果有興趣，大家可以對比一下硅阻壓力傳感器溫補校準前后的參數特性，經過專業的操作，看起來天馬行空的產品也可以被馴服穩定可靠，精度滿足各種應用。小小乾坤，大有文章。當前安費諾傳感器技術集團（ASTG）旗下有多個全球品牌引領壓力傳感器的研發、生產和應用。

(1) ASTG NOVA NPI-19VC Specification

以上產品的規格及功能如有更新，恕不另行通知。

作為安費諾的授權分銷商，Heilind可為市場提供相關服務與支持，此外Heilind也供應多家世界頂級制造商的產品，涵蓋25種不同元器件類別，并重視所有的細分市場和所有的顧客，不斷尋求廣泛的產品供應來覆蓋所有市場。