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，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

下面將針對硅壓阻方式的壓力傳感器進行簡單的誤差分析說明。

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。

產品類型中有的是僅作外部封裝，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，未經數字化處理的壓力傳感器，其產品特性欄通常會詳細描述遲滯（涉及壓力和溫度）、線性度、溫度系數等特征參數。然而，經過數字化處理后的壓力傳感器或變送器，在描述輸出信號特性時，往往不再逐一列出這些參數指標，而是轉而提供總體的測量精度等綜合性參數。 這種描述方式的差異，并非因為數字化處理能夠消除遲滯等特性，而是因為數字化處理后，很難再準確區分某些類似遲滯的特性究竟是由傳感器元件本身的測量信號引起的，還是由固件處理過程中產生的。因此，將遲滯、溫度特性等引起的元件測量誤差與量化處理誤差綜合起來，以產品最終的測量精度、誤差及長期穩定性來描述，顯得更為合理且貼切。

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。

模擬補償和校準技術在壓力傳感器的誤差分析中扮演著重要角色。在ADC（模數轉換器）參與處理之前，通過模擬補償和校準，可以顯著改善傳感器的多項性能指標，從而提升產品的互換性。 具體來說，模擬補償和校準可以通過調整和優化傳感器的對稱性，使得0點Offset輸出接近于0V，有效減小了零點漂移對測量結果的影響。同時，針對溫度敏感性進行補償，可以確保傳感器在不同溫度環境下保持穩定的輸出特性，避免了因溫度變化而引起的測量誤差。此外，通過校準輸出一致性，可以使得同一批次或不同批次的傳感器在輸出特性上保持高度一致，進一步提高了產品的互換性。 模擬補償和校準兩種方式各有其獨特的特點。模擬補償通常通過調整電路中的元件參數來實現，具有操作簡便、成本低廉的優點。而校準則需要通過精確的測量和調整手段，確保傳感器的輸出特性符合預定要求，具有更高的精度和可靠性。 在本文的壓力傳感器誤差分析中，我們將重點關注利用電阻網絡進行溫補和校準后的壓力產品。這類產品通過模擬補償和校準技術的處理，已經在性能上得到了顯著提升。而對于數字化之后的壓力產品，由于其涉及更多的數字處理技術和算法，其誤差分析將更為復雜，因此本文不對其進行進一步的分析和討論。

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。

圖-2硅阻壓力傳感器在固定溫度下的輸出曲線（綠色）特性與理想壓力傳感器輸出曲線（藍色）比較

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/BestFit Straight Line)

傳感器的特征值及誤差分析

以下我們具體來看一下安費諾旗下Novasensor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不銹鋼沖油芯體的參數：

表-1：NPI-19VC-101G壓力傳感器參數表(1)

表-2：誤差計算從到25℃到70℃

從最終結果來看，很難想象在同樣情況下，這個硅壓傳感器在校準之前的偏差能夠達到±10%FSO以上。

誤差影響因素

典型的誤差影響因素包括參考電壓誤差、放大器誤差、傳感器誤差以及噪聲對測量精度的影響。

(1) 參考電壓誤差參考電壓是用來與實際測量值進行比較的，因此這個參考電壓的實際值非常重要，需要對參考電壓進行周期性校準或軟件校準以修正這個基本的測量誤差。而且，精心設計的參考電壓可以用來最大限度地減少由于溫度造成的漂移。在0℃至25℃的條件下，一個100ppm/℃的溫度系數的誤差會到2500ppm，或滿量程范圍的0.25%。 (2) 放大器誤差 運算放大器因其失調零漂等原因，會引入誤差。傳感器信號輸入運算放大器即會影響測量精度。如壓力傳感器，以壓力傳感器為例，一個20mV的滿量程信號將會有5%偏移，即1mV輸入偏置電壓。這個輸入偏置誤差可以直接降低測量精度，用足夠動態范圍的A/D轉換器就可能利用軟件消除這個誤差。

(3) 傳感器誤差

傳感器因為加工工藝的原因，不可能達到理想狀態，會產生誤差。修正傳感器誤差可能很困難。如壓力傳感器，即使在生產過程中進行線性校準，但是應用中不同設備之間的輸出比例系數的變化量仍然很高。壓力傳感器的參考電壓通常是由激勵產生的，通過惠斯頓電橋產生一種比例式測量方法，該方法可一定程度消除漂移誤差，但由于電橋之間不可能完全對稱，故仍然會有偏置電壓產生。以壓力傳感器為例，1個低壓傳感器的offset，其偏置誤差很大程度是由電橋不對稱導致。

(4) 噪聲影響

噪聲有許多來源，包括來自附近高速數字邏輯電路、電源、風扇電機、電磁閥和射頻EMI的耦合噪聲。可以通過合適的接地設計、屏蔽方法和電路板布局等降低噪聲。另外可以選擇引入噪聲最小、具有足夠增益帶寬的運算放大器。可根據引入的噪聲大小評價運算放大器，噪聲量根據對不受限制帶寬(寬頻帶)或確定帶寬上的信號的測量值來確定。

A/D轉換器

使用A/D轉換器時，背景噪聲是可用測量精度的決定性因素。當一個器件的額定分辨率為24位時，由于噪聲導致的局限性，通常轉換器實現的實際精度更低。這里需要區分有效位和極低噪聲值，有效位規格是由噪聲電平RMS值計算出來的，極低噪聲值則是基于峰-峰值，通常相當于統計RMS值的6.6倍之多。因此，極低噪聲規格表示的是轉換器的有效分辨率，在背景噪聲以上LSB位依然保持穩定。還需要特別注意規格書中的限制條件，例如參考電壓和輸入范圍可能因應用不同而異，數據手冊上所承諾的與實際比值可能有相當大的差異。

運算放大器

對于放大器而言，同時實現低噪聲和高增益很困難。那么就需要讓放大器的噪聲水平與其誤差達到同樣的范圍。所有的半導體放大器都會有1/f噪聲，也稱為閃爍噪聲(flicker noise)，它是由于材料而產生的一種基本現象。與頻率相反，在一個特定的噪聲拐點以下，噪聲密度將呈指數增加，而且在低頻時變得有非常大。很少有放大器能低成本地以單芯片實現這種低噪聲和高增益的組合特性。

為了實現低噪聲和高增益，可以設計混合的多放大器電路，采用一種具有高輸入阻抗、輸入糾錯電路和第二個(或第三個)補償放大器的輸入放大器組合，以實現所需的增益。集中于一個參數的放大器經常在其他方面帶來嚴重的問題。

后記：

如果大家有興趣，可以對比硅阻壓力傳感器溫補校準前后的參數特性。經過專業操作，原本看起來難以捉摸的產品也能夠變得穩定可靠，精度滿足各種應用需求。