压力传感器关键参数与实际应用系统的关系

【摘  要】随着智能化产业的普及，各行业对压力传感器的需求与日俱增。本研究通过总结压力传感器各项关键性能参数，以便使用户有的放矢的为应用系统选择最优的压力传感器，以便设计出具有更高性价比，更优性能的产品。

【关键词】压力传感器;精度缺陷;测量误差;非线性;迟滞;温度影响

1.研究背景

随着智能化产业的普及，各行业对压力传感器的需求与日俱增。缕清压力传感器的性能参数，以及如何选择更适合特定应用系统的传感器，可以为整体开发计划节约大量成本，并提供更优性能。

2.被數据/图表模糊化的性能参数

对产品性能参数的描述常常存在一些灰色地带，这就增加了选择合适压力传感器的难度。例如：非线性度0.5%之于0.25%，看起来要差一些，可0.25%的产品就真的更适合于你的应用系统么？这其实并不是可以去直观判断的，正确的理解参数定义和测试结果也是非常重要的。

3.测量误差

测量误差通常指的是仪器在所描述的一组条件下特性曲线与理想状态之间的预期或允许的偏差（图1）。这些测试通常是在恒温、恒压、恒湿的条件下进行，并没有引入其它如，震动，电磁干扰等外部影响因素。

但这个单一数值在实际应用中的意义是非常有限的。如图1所示，最大误差只出现在实际曲线的某一特定点上。

因此，大多数制造商采用了一个更狭义的方式来定义精度，只将非线性、迟滞、不可重复性考虑在内。它满足了单个数值的需求，但就像测量误差一样，该数值并不能清楚的展示在特定的应用条件下传感器的实际测量误差。

4.主要性能参数

压力传感器性能需要用一组数据来描述。原因如下：

（1）传感器的实际特性不是恒定的，也不是线性的：它随压力、温度、时间等的变化而变化。

（2）产品说明书用于描述一类传感器的总体特性。各传感器之间不可避免的存在个体性能差异。说明书应包含一些统计元素，如典型值、平均值或最大值，以及偏差范围。

（3）并不是每个理论偏差都与其应用系统相关。这方面最简单的例子是一个浴室监控器，它在每次被打开时都会零复位，那么，由温度引起的零误差和零点位移就与这个特殊的应用场景无关。

下面将介绍与压力测量有关的重要参数。

①非线性。

非线性是指在相同条件下，表示传感器的特定读数偏离理论参考线程度的一种表述方法。它通常用满量程的百分比来表示。它的定义变化很大，在大多数情况下，非线性几乎没有任何实际意义。

②迟滞。

在稳定的升降压循环中，观察传感器的输出特性曲线，在相同压力点，升压和降压过程中的输出值是不同的。如图2所示，它们之间的差异称为迟滞。这是其中一种迟滞，压力迟滞。另一种迟滞是温度迟滞，它发生在高低温循环中，该温度迟滞不同于温度误差。

迟滞现象通常是与传感器材料的固有特性和元件的设计原理相关，不能通过补偿/调整等方式予以抵消。因此，迟滞可以被看作测量的不确定度。

③不可重复性。

连续测量相同压力值的输出信号时，其结果不总是完全相同的。不可重复性误差定义为：在相同的条件下，承受相同的压力时，最高和最低测量值之间的最大偏差。

不可重复性是判断传感器设计和制造质量的一个重要参数，它直接反映了传感器的内在质量。

④零点误差。

零点误差通常在说明书中表示为满量程的百分比，但其绝对值在整个压力量程范围内保持不变。因此，在测量较低压力时，其相对误差会较大。

在实际应用系统中，零点误差可以通过调整控制器程序进行抵消。

⑤跨度误差。

多数情况下，跨度误差的影响要小于零点误差。因为跨度误差为相对值，当该传感器在应用系统中的实际测量范围小于满量程时，其跨度误差也会相应变小。

与零点误差一样，较低的跨度误差说明传感器制造商的制程控制能力非常好。不同于零点误差的是，在实际应用系统中，跨度误差不可以通过调整控制器程序进行抵消。

⑥温度影响。

温度变化会引起材料的膨胀与收缩，会对传感器的电阻、半导体和电气连接产生影响，继而影响信号输出。这种影响，通常由两个温度系数来体现：温度对零点的影响和对跨度的影响。

与前面介绍的零点误差一样，温度对零点的影响也表示为满量程的百分比，其绝对值在整个压力量程范围内保持不变。在测量较低压力时，其相对误差会较大。

同样的，温度对跨度的影响也与跨度误差一样，是被测量程范围的相对值。

⑦偏移，漂移和长期稳定性。

偏移是指由于温度、过载等外部因素引起的输出信号的变化，可看作一个“稳定”的变化。当外部影响稳定以后，输出信号也将趋于稳定。

漂移则是由传感器自身因素引起的，如电路被潮气侵蚀，结构元件发生蠕变等。当发现传感器有漂移问题时，该传感器应该被马上替换。

长期稳定性是结合偏移和漂移的一个参数，传感器的组件会随时间老化，那么输出信号也会随之发生变化，通常被定义为一段时间内满量程的百分比，如0.05% FS/年。

5.总结

通过上文，我们识别出了影响压力传感器输出信号的一些关键参数，并了解了这些参数的特点。关于传感器的参数还有很多很多，例如TEB （Total Error Band）， MTTF， B10等。我们未来可以根据自己的应用系统，结合上文提到的压力传感器主要参数，选择最优的传感器解决方案。

参考文献

[1] 张文娜，叶湘滨，熊飞丽，肖晶晶。《传感器技术》 [M]，清华大学，2011

[2] 吴建平。《传感器原理及应用》 [M]，机械工业出版社，2009

[3] 周润景。《常用传感器技术及应用》 [M]，电子工业出版社，2020

[4] 周真，苑惠娟。《传感器原理与应用》 [M]，清华大学，2011

[5] JB/T 6172-2005 压力传感器系列型谱 [S]

作者简介：王宁（1984），男，籍贯天津市，回族，助理工程师，学士学位，研究方向为机械设计。