使用自动归零校准确保压力传感器精度

随着压力监测系统变得越来越复杂，自动调零校准正成为越来越多应用的关键技术。需要高精度的常见医疗应用包括无创血压监测仪和微型泵。另一种新的医学应用是伤口治疗，其中控制伤口的负压促进愈合。自动归零校准还可以在一系列消费和商业电器(包括咖啡机、洗碗机和洗衣机)的整个生命周期内保持消费产品的准确性。

无论应用如何，自动归零校准都是从在已知参考点对输出进行采样开始的。然后，在传感器中嵌入的信号调节 ASIC 上运行的软件可以将输出调整到正确的压力。这个过程的关键概念是理想的传递函数。

理想的传递函数在算法上描述了工作压力和传感器在传感器工作范围内的数字输出之间的关系。图 1 显示了数字传感器的理想传递函数。它还显示了理想的偏移量，即在自动归零计算中用作参考的压力下的正确输出。

图 1：压力传感器通常显示线性传递函数。

各种现实条件会改变理想的传递函数并产生偏移误差。这些条件包括正常的零件间差异和产品老化。图 2 显示了误差偏移的示例。

图 2：偏移误差是理想和现实世界传递函数之间的差异。

自动归零基础

传感器制造商通常会在工厂校准设备以实现高精度输出，但所有传感器一旦进入现场就会出现一些偏移误差。幸运的是，最终用户可以减轻这些重复出现的错误。

由于自动归零校准是在软件中实现的，因此可以在传感器部署到现场后执行——强烈建议这样做。当“原位”校正不可行时，应在工厂校准之后但在部署之前执行自动归零校准。这消除了由于将设备安装在电路板上的压力以及工厂校准引起的任何错误。

现场校准有两种常见情况：固定时间间隔和系统检测到温度变化时。这两个选项并不相互排斥。定期校准在超低压应用中尤为重要。原因：在 1 psi 或以下工作的传感器本质上更容易因压力和环境压力而出现偏移误差。建议使用温度触发校准，因为温度变化是导致误差的主要因素。

在概述实施自动归零校准技术之前，有必要列举几个压力传感器中最重要的偏移误差来源。已经提到了正常零件间的变化和老化。

焊接设备时，或使用粘合剂将传感器连接到包装上，或将传感器集成到气动系统中时，会导致应力误差。温度变化、湿度和压力等环境条件也会导致偏移误差。即使电源电压的微小变化以及与设备制造和工厂校准相关的不可避免的变化也会使输出值出现偏差。

对于系统设计人员来说，好消息是它们的组合效应不会显着改变传递函数的线性度。它实际上仍然是一条直线。这说明了自动归零校准技术的有效性。

应该注意的是，虽然自动归零校准对于表压和差压测量来说是一种有价值的策略，但对于测量绝对压力(需要真空源)的传感器来说很难实施，因此不推荐使用。

自动归零校准本质上是由嵌入式 ASIC 中的固件执行的算法过程。详细的解释超出了本文的范围。完整的描述，包括示例代码，可以在压力传感器的技术说明自动归零校准技术中找到。该过程的概述如下：

自动归零校准方法从在已知环境条件下测量和记录参考压力开始。最好使用尽可能接近零的参考压力。该过程还需要知道最小和最大工作压力及其相应的数字输出。因为理想和现实世界的传递函数都是线性的，所以参考压力处的偏移误差提供了工作限制内任何压力下的偏移误差。

公式 1 描述了压力传感器的理想传递函数：



其中：

输出 = 任何给定压力下的输出读数
Output min = 最小工作压力下的理想输出读数
Output max = 最大工作压力下的理想输出读数
P min = 最小工作压力
P max = 最大工作压力

由于目标是获取压力读数，因此等式 1 可以重写为以下等式 2：



最好的做法是获取多个读数并将它们平均，而不是依赖于单个读数。

通过从已知参考压力中减去测量压力值的平均值来获得自动归零值。既然知道自动归零值，就可以使用它来调整错误，如下所示：

读取传感器读数。
使用公式 2 计算压力。
从测量值中减去自动归零值，得到校正值。

结论

自动归零校准解决了压力传感器在离开制造商后失去精度的问题。这是一种算法解决方案，实施起来简单且相对便宜，因为它采用了简单的 ASIC 和几行代码。该技术对于越来越多需要比过去更高的精度和测量稳定性的压力传感器应用特别有价值。