压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业专业术语:特性曲线,迟滞,测量误差

压力测量行业的用户得到的数据往往来源于制造商提供的样本信息。这里特别指的是精度信息。因此,专业术语的了解对综合评估特定压力测量仪器时是十分重要的。

关于精度, 无法给予一个标准的定义。因为,不受制于任何的标准。然而,这并不适用于与精度定义相关的术语,包括特性曲线,迟滞,非线性,非重复性和测量误差。下面我们将简要的解释这些术语。

特性曲线

特性曲线显示了输出信号(测量值)和输入信号(压力)的相互依存关系。在理想状态下,特性曲线是一条直线。

非线性

基准线和特性曲线的最大偏差(正或负)被描述为非线性。基准线本身有三种不同方式决定校准,最佳拟合直线(BFSL)和最佳零点调节。每种方式会得出不同结果,欧洲最常用的方式是极值点调整。这里的基准线贯穿了特性曲线的起始点和终点。

测量误差

测量误差或测量偏差,描述的是显示数值和“准确”数值的偏差。这里所谓的“准确”值是理想情况下的,在实际操作中只能通过标准条件下的高精度测量设备取得,诸如在校量过程中的基本标定方法。绝对误差通常使用和测量值相同的单位,而相对误差是相较于正确值,并且单位不是唯一的。

零点和量程误差

在传感器生产过程中,与标准参考设备会存在误差。测量范围起始点和终值的测量偏差被称之为零点和量程误差。量程误差指的是实际输出量程与规定输出量程之差。零点误差是目标基准线的理想零点和实际特性曲线真实输出值之间的差值。

在非承压状态下,用户可以轻易的读取零点误差值,为了消除它,用户必须输入一个补偿作为抵消到评估单元里。量程误差的消除是很难做到的,因为压力测量范围的上限必须要尽可能精准。

迟滞

显示值不仅取决于输入值(这里指压力),也取决于输入值之前的测量值。

如果把升压特征曲线和降压特征曲线做比较,可以观察到输出信号,尽管在相同的压力下,它们本身数值其实是不相同的。这两个特征曲线之间的最大偏差称之为迟滞现象,并以满量程的百分比来表示。

非重复性

即使在相同的条件下测量,压力变送器电子部分也会受到随机条件的影响,这是因为在连续测量的情况下,输出信号在相同的压力下是不同的。在同一方向上连续三次测量的最大偏差被称之为非重复性。用户所认可的可信赖的压力测量仪器是它的最小非重复性。

类似于迟滞现象,非重复性也是不可补偿的。

温度误差

温度的变化直接影响到压力传感器的特性。举个例子,应用在压阻式压力传感器中的半导体电阻,随着温度的增加而降低。 制造商通过平衡热特性来完善他们的产品。温度相关的误差要么通过传感部分直接补偿,或者在电路部分进行。一些设备还集成温度原件来补偿温度相关的误差。总之,误差只能被缩小而不能完全消除。有些制造商通过温度系数表达其他的一些温度误差。

过载压力-过压

超出的特定误差限值在过压范围内,那么压力传感器不会受到永久损害。

爆破压力

爆破压力指的是使压力传感器传导部分发生形变的压力,这会造成机械上的损坏。

长期稳定性

外在因素影响测量仪器。出于此原因,在经过多年的使用后特征曲线也会随之发生变化。长期稳定性(也是长期漂移)是制造商在实验室条件下确定的,并在数据表中以满量程的百分比按照年的单位表示出来。

然而设备的实际操作条件和测试条件有很大的不同。制造商之间的测试流程也是有很大不同的,这样使得数据之间相比较非常困难。一般情况下,建议压力传感器每隔一段时间做次校准必要时进行调整。

精度:曲线的不一致性

正如一开始所提到的, “精度“ 不是一个固定值。它偶尔也会有另外一种叫法,即“曲线的不一致性”。这是根据IEC 770所描述的最大总误差,包括线性偏差和迟滞,以及非重复性。因此,它是在测量范围的上限上偏离理想的特征曲线并以百分比表示。

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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。