壓力傳感器的誤差分析

在選擇壓力傳感器的時候我們要考慮他的綜合精度，而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響呢？其實造成傳感器誤差的因素有很多，下面我們主要說四個無法避免的誤差，這也叫傳感器的初始誤差。

1、偏移量誤差

由于壓力傳感器在整個壓力范圍內垂直偏移保持恒定，因此變換器擴散和激光調節修正的變化將產生偏移量誤差。

2、靈敏度誤差

產生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產生原因在于擴散過程的變化。

3、線性誤差

這是一個對壓力傳感器初始誤差影響較小的因素，該誤差的產生原因在于硅片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，還應包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線。

4、滯后誤差

在大多數情形中，壓力傳感器的滯后誤差可以忽略不計，因為硅片具有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。

壓力傳感器的這個四個誤差是無法避免的，我們只能選擇高精度的生產設備，利用高新技術來降低這些誤差，還可以在出廠的時候進行一定的誤差校準，盡最大的可能來降低誤差。

壓力傳感器的選型需求

了解了壓力傳感器的基本誤差，根據不同的應用場景和需求，我們需要對傳感器做合理的選型，選用的原則便是以實惠的價格買到滿足其用途、壓力量程、精度要求、溫度范圍、電和機械要求的壓力傳感器。

1、確認測量壓力的類型

壓力傳感器可以分為測定絕對壓力、對大氣的相對壓力和差壓。測定絕對壓力時，傳感器內自身帶有真空參考壓，所測壓力與大氣壓力無關，是相對于真空的壓力。對大氣的相對壓力是以大氣壓力為參考壓，因此傳感器彈性膜一側始終與大氣是連通的。此外，還可從傳感器彈性膜兩側分別導入流體壓力，這樣能測定流體不同地點或流體間的差壓。針對不同用途應選用不同結構的壓力傳感器。

2、確認壓力傳感器的量程范圍

一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右壓力量程的傳感器/變送器。在許多測試系統中，尤其是液壓測量和加工處理中，有峰值和持續不規則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續的高壓力值或稍微超出傳感器/變送器的標定最大值會縮短傳感器的壽命。

如裝載機在抓舉瞬間的沖擊力對傳感器的考驗比較嚴厲，這種場合往往需要3倍以上的安全過載，但會影響其綜合精度。也可選用阻尼裝置來降低壓力沖擊，但這樣又會降低傳感器的響應速度。所以，在選擇傳感器/變送器時，要充分考慮壓力范圍、精度與其穩定性，選擇最合適的解決途徑。

3、確定壓力傳感器的測量介質

一般來講，黏性液體（如原油）、煤漿、泥漿及其他沉淀物等往往會堵住壓力接口，影響傳感器的正常工作，這種情況需要采用隔離膜（即平膜結構）傳 感器直接與介質接觸，進行壓力測量。當溶劑中含有腐蝕性物質時，要選用與這些介質兼容的材質做隔離膜片，否則會影響產品的使用壽命。

4、確定壓力傳感器的精度

這里所說的精度主要是指：非線性，遲滯性，重復性，零點與滿度偏差，溫度及其他環境的影響。一般來講，精度越高，必然在制作過程中增添了許多附加工藝以及校淮過程和補償技術，相應成本提高了， 銷售價格也就越高。所以，用戶在選用產品時不能只單純地追求高精度，而應該根據實際測量的需求進行合理地選擇。

5、確認壓力傳感器的溫度范圍

通常一個變送器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償的范圍。

正常操作溫度范圍：指產品在工作狀態下不被破壞時的溫度范圍，在超出溫度補償范圍時，可能會達不到其應用的性能指標。

溫度補償范圍：在這個范圍內工作，產品肯定會達到其應有的性能指標。

溫度變化影響著零點漂移和滿量程輸出，影響壓力傳感器的精度。為了消除溫度的影響，就需應用各種溫度補償技術。溫度范圍越寬，補償技術難度越大，且校準工作量越大，所能保證的全溫度范圍的精度便越低。為此應根據壓力傳感器所應用的實際溫度范圍和精度要求提出合理的要求。

6、電學要求

一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，遠距離輸出信號電壓會衰減，應采用電流信號輸出。經壓力變送器將電流放大后可以輸出20mA以下的電流信號。這樣，價格就成倍增加。

所以，選擇的輸出類型依賴于您的傳感器與系統控制或者顯示部件之間的距離，噪音，以及其他電氣干擾，還有是否需要放大，最佳放置放大器的位置等。

另外，只有經過A/D和V/F變換后才能得到數字信號和頻率信號。

恒流源和恒壓源都是通常傳感器采用的兩種激勵源。兩種激勵方法是有區別的，其作用不同。恒流源激勵有利于熱靈敏度漂移的補償作用。輸出的類型可能就決定了需要的激勵電壓。許多放大式傳感器都有內置的電壓調節器，可以在很大范圍的未調節電壓源下工作。

有些傳感器是有比例的，需要已調節的激勵源。所使用的電源將會決定您是使用已調節電源還是未調節電源。這需要在系統成本和所有激勵源之間作出折中的選擇。

壓力傳感器可以用電池供電，但更普遍的是采用直流穩壓電源技術。

7、作業方式

作業方式也是需要考慮的重要問題。壓力傳感器的工作環境惡劣時，例如有大的振動、沖擊，大的電磁干擾，對傳感器提出更為嚴格的要求。不僅過壓能力強，而且要求機械密封可靠，防松動，傳感器安裝正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導線都應加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。

8、對壓力密封的要求

通常用的壓力密封是橡膠墊（或稱O型環）、環氧樹脂、聚四氟乙烯墊、錐孔配合、管螺紋配合及焊接等方式。所用的密封材料決定了壓力傳感器的工作溫度范圍。

壓力傳感器的檢測方式

在使用壓力傳感器的時候，如何檢測壓力傳感器顯得十分重要，檢測壓力傳感器根據目的不同，檢測的項目和方法也就會有區別。這里介紹3種壓力傳感器的檢測方法：

1、加壓檢測

檢單的方法是：給傳感器供電，用嘴吹壓力傳感器的導氣孔，用萬用表的電壓檔檢測傳感器輸出端的電壓變化。如果壓力傳感器的相對靈敏度很大，這個變化量會明顯。如果絲毫沒有變化，就需要改用氣壓源施加壓力。

通過以上方法，基本可以檢測一個傳感器的狀況。如果需要準確的檢測，就需要用標準的壓力源，給傳感器壓力，按照壓力的大小和輸出信號的變化量，對傳感器進行校準。并在條件許可的情況下，進行相關參數的溫度檢測。

2、零點的檢測

用萬用表的電壓檔，檢測在沒有施加壓力的條件下，傳感器的零點輸出。這個輸出一般為mV級的電壓，如果超出了傳感器的技術指標，就說明傳感器的零點偏差超范圍。

3、橋路的檢測

主要檢測傳感器的電路是否正確，一般是惠斯通全橋電路，利用萬用表的歐姆檔，量輸入端之間的阻抗、以及輸出端之間的阻抗，這兩個阻抗就是壓力傳感器的輸入、輸出阻抗。如果阻抗是無窮大，橋路就是斷開的，說明傳感器有問題或者引腳的定義沒有判斷正確。

壓力傳感器及變送器的故障分析

壓力傳感器在運行中發生故障，我們又如何辨別及排障呢？

1、壓力上去，變送器輸出上不去。

此種情況，先應檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住。如果確認不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進行簡單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有愉出。若無變化則傳感器已損壞，可能是儀表損壞或者整個系統的其它環節的問題。

2、變送器輸出信號不穩。

這種故降有可能是壓力源的問題。壓力源本身是一個不穩定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強、傳感器本身振動很厲害和傳感器故障。

3、加壓變送器輸出不變化，或加壓變送器輸出突然變化。

泄壓變送器零位回不去，很有可能是壓力傳感器密封圈的問題。常見的是由于密封圈規格原因，傳感器擰緊之后密封圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，加壓時壓力介質進不去，但在壓力大時突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更換密封圈再試。

4、變送器與指針式壓力表對照偏差大。

出現偏差是正常的現象，確認正常的偏差范圍即可。

5、微差壓變送器安裝位置對零位輸出的影響。

微差壓變送器由于其測量范圍很小，變送器中傳感元件會影響到微差壓變送器的輸出。安裝時應使變送器的壓力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定后調整變送器零位到標準值。

壓力傳感器熱零點溫漂的補償技術

零點熱漂移是影響壓力傳感器性能的重要指標，受到廣泛重視。國際上認為零點熱漂移僅取決于力敏電阻的不等性及其溫度非線性，其實零點熱漂移還與力敏電阻的反向漏電有關。在這點上，多晶硅可以吸除襯底中的重金屬雜質，從而減小力敏電阻的反向漏電、改善零點熱漂移，提高傳感器的性能。

縮小電漂移和修正電漂移還有哪些方式呢？

從整體上來分，可以分為硬件補償和軟件補償兩大方向。下面分別就這兩個方向的代表性方法做簡單介紹。

1 、硬件零點補償方法

對壓力傳感器而言，硬件補償方法有在橋臂上串、并聯恰當恒定電阻法，橋臂熱敏電阻補償法，橋外串、并聯熱敏電阻補償法，雙電橋補償技術、三極管補償技術等。

2、 軟件補償零點漂移方法

在信號采集過程中，在觸發信號未發生到觸發采集以及在采集結束后的這些時間段里，輸入的信號為零，輸出的信號不為零，這種采集到的輸出數據以隨機噪聲的形式存在，對于數據的計算與處理是沒有意義的，我們定義這段時間里采集到的信號值稱之為零點漂移。

3、多項式擬合規范化法

由于在實際測量中。壓力傳感器所測量的溫度、壓力等物理量不會與輸出值是嚴格的線性關系，因此其函數關系常常是多項式形式。多項式可用于非線性信號的擬合，關鍵在于求解其各項系數。

4、RBF神經網絡法

基本原理：通常零點溫度補償軟件算法中公式法較復雜，切擬合精度常會受到限制。人工神經網絡法具有使用的樣本數少，算法簡單、具有任意函數逼近能力，應用前景良好。

此外軟件法還包括查表法、插值法等，還有一些廠家從傳感器本身的特點出發，采用特殊技術，如改變摻雜濃度等，或者采用自校準技術來解決零點漂移的問題，但這些方法補償精度不高，效果遠沒有上述三種方法好。

壓力傳感器在工業生產應用中，以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量重，不能提供電學輸出。隨著半導體技術的發展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術的發展，半導體傳感器向著微型化發展，而且其功耗小、可靠性高。