Podczas pomiaru ciśnienia można zauważyć, że wyniki pomiaru nie odzwierciedlają od razu zmian ciśnienia wejściowego lub w pełni odpowiadają, gdy ciśnienie powraca do stanu początkowego. Na przykład, jeśli do pomiaru masy ciała używasz wagi łazienkowej, czujnik wagi potrzebuje czasu, aby dokładnie wykryć i ustabilizować odczyt Twojej wagi. Theczas reakcjiczujnika prowadzi do początkowych wahań danych. Gdy czujnik dostosuje się do obciążenia i zakończy przetwarzanie danych, odczyty będą dawać bardziej stabilne wyniki.Nie jest to wada czujnika, ale normalna cecha wielu elektronicznych urządzeń pomiarowych, szczególnie w przypadku przetwarzania danych w czasie rzeczywistym i osiągania stanu ustalonego. Zjawisko to można nazwać histerezą czujnika.
Co to jest histereza w czujnikach ciśnienia?
Transduktorhisterezazwykle objawia się, gdy następuje zmiana na wejściu (taka jak temperatura lub ciśnienie), a sygnał wyjściowy nie następuje natychmiast po zmianie wejścia lub gdy wejście powraca do swojego pierwotnego stanu, sygnał wyjściowy nie powraca w pełni do stanu początkowego . Zjawisko to można zaobserwować na krzywej charakterystycznej czujnika, gdzie pomiędzy wejściem a wyjściem występuje opóźniona krzywa w kształcie pętli, a nie linia prosta. W szczególności, jeśli zaczniesz zwiększać sygnał wejściowy od określonej wartości, moc wyjściowa czujnika również odpowiednio wzrośnie. Jednakże, gdy sygnał wejściowy zacznie spadać z powrotem do pierwotnego punktu, okaże się, że wartości wyjściowe są wyższe niż pierwotne wartości wyjściowe podczas procesu redukcji, tworząc pętlę lubpętla histerezy. Pokazuje to, że podczas procesu zwiększania i zmniejszania tej samej wartości wejściowej odpowiadają dwóm różnym wartościom wyjściowym, co jest intuicyjnym wyświetlaniem histerezy.
Wykres przedstawia zależność między ciśnieniem wyjściowym a ciśnieniem zastosowanym w czujniku ciśnienia podczas procesu wywierania ciśnienia, przedstawioną w postaci krzywej histerezy. Oś pozioma przedstawia sygnał wyjściowy czujnika, a oś pionowa przedstawia przyłożone ciśnienie. Czerwona krzywa przedstawia proces, w którym moc wyjściowa czujnika wzrasta wraz ze stopniowo rosnącym ciśnieniem, pokazując ścieżkę reakcji od niskiego do wysokiego ciśnienia. Niebieska krzywa wskazuje, że gdy przyłożone ciśnienie zaczyna spadać, moc wyjściowa czujnika również maleje, od wysokiego ciśnienia z powrotem do niskiego, co przedstawia reakcję czujnika podczas usuwania ciśnienia. Obszar pomiędzy dwiema krzywymi, czyli pętla histerezy, przedstawia różnicę w sygnale wyjściowym czujnika przy tym samym poziomie ciśnienia podczas ładowania i rozładowywania, zwykle spowodowaną właściwościami fizycznymi i wewnętrzną strukturą materiału czujnika.
Przyczyny histerezy ciśnienia
Zjawisko histerezy wczujniki ciśnieniawpływają głównie dwa główne czynniki, które są ściśle powiązane z właściwościami fizycznymi i mechanizmem działania czujnika:
- Histereza sprężystości materiału Każdy materiał ulegnie pewnemu odkształceniu sprężystemu pod wpływem sił zewnętrznych, co jest bezpośrednią reakcją materiału na przyłożone siły. Po usunięciu siły zewnętrznej materiał próbuje powrócić do swojego pierwotnego stanu. Jednakże odzysk ten nie jest całkowity ze względu na niejednorodność wewnętrznej struktury materiału i niewielkie nieodwracalne zmiany w wewnętrznej mikrostrukturze podczas powtarzającego się załadunku i rozładunku. Powoduje to opóźnienie w zachowaniu mechanicznym podczas ciągłych procesów załadunku i rozładunku, tzwhistereza elastyczna. Zjawisko to jest szczególnie widoczne w zastosowaniuczujniki ciśnienia, ponieważ czujniki często muszą dokładnie mierzyć zmiany ciśnienia i reagować na nie.
- Tarcie W elementach mechanicznych czujnika ciśnienia, szczególnie tych zawierających części ruchome, tarcie jest nieuniknione. Tarcie może pochodzić ze styków wewnątrz czujnika, takich jak ślizgowe punkty kontaktowe, łożyska itp. Gdy czujnik jest poddawany naciskowi, te punkty tarcia mogą utrudniać swobodny ruch wewnętrznych struktur mechanicznych czujnika, powodując opóźnienie między reakcją czujnika a rzeczywiste ciśnienie. Kiedy ciśnienie nie jest obciążone, te same siły tarcia mogą również uniemożliwić natychmiastowe zatrzymanie struktur wewnętrznych, powodując w ten sposób również histerezę podczas fazy odciążenia.
Te dwa czynniki razem prowadzą do powstania pętli histerezy obserwowanej w czujnikach podczas powtarzanych testów obciążania i rozładowywania, co jest cechą często budzącą szczególne obawy w zastosowaniach, w których wymagana jest precyzja i powtarzalność. Aby zmniejszyć wpływ zjawiska histerezy, kluczowe znaczenie ma staranny projekt i dobór materiału czujnika, a do kompensacji tej histerezy w zastosowaniach mogą być również potrzebne algorytmy oprogramowania.
Zjawisko histerezy wczujniki ciśnieniana który wpływają różne czynniki bezpośrednio związane z właściwościami fizycznymi i chemicznymi czujnika oraz środowiskiem jego pracy.
Jakie czynniki powodują histerezę czujnika?
1. Właściwości materiału
- Moduł sprężystości: Moduł sprężystości materiału określa stopień odkształcenia sprężystego pod wpływem siły. Materiały o wyższym module sprężystości odkształcają się mniej i ichhistereza elastycznamoże być stosunkowo niższa.
- Współczynnik Poissona: Współczynnik Poissona opisuje stosunek skurczu bocznego do wydłużenia wzdłużnego materiału poddawanego działaniu siły, co wpływa również na zachowanie materiału podczas załadunku i rozładunku.
- Struktura wewnętrzna: Mikrostruktura materiału, w tym struktura krystaliczna, defekty i wtrącenia, wpływa na jego zachowanie mechaniczne i charakterystykę histerezy.
2. Proces produkcyjny
- Precyzja obróbki: Precyzja obróbki elementu czujnika bezpośrednio wpływa na jego wydajność. Komponenty o większej precyzji są lepiej dopasowane, redukując dodatkowe tarcie i koncentrację naprężeń spowodowanych złym dopasowaniem.
- Chropowatość powierzchni: Jakość obróbki powierzchni, np. chropowatość powierzchni, wpływa na wielkość tarcia, wpływając w ten sposób na szybkość reakcji czujnika i histerezę.
- Zmiany temperatury wpływają na właściwości fizyczne materiałów, takie jak moduł sprężystości i współczynnik tarcia. Wysokie temperatury na ogół powodują, że materiały stają się bardziej miękkie, zmniejszając moduł sprężystości i zwiększając tarcie, zwiększając w ten sposób histerezę. I odwrotnie, niskie temperatury mogą sprawić, że materiały będą twardsze i bardziej kruche, wpływając na histerezę na różne sposoby.
3. Temperatura
- Zmiany temperatury wpływają na właściwości fizyczne materiałów, takie jak moduł sprężystości i współczynnik tarcia. Wysokie temperatury na ogół powodują, że materiały stają się bardziej miękkie, zmniejszając moduł sprężystości i zwiększając tarcie, zwiększając w ten sposób histerezę. I odwrotnie, niskie temperatury mogą sprawić, że materiały będą twardsze i bardziej kruche, wpływając na histerezę na różne sposoby.
Ryzyko
Obecność histerezy wczujniki ciśnieniamoże powodować błędy pomiarowe, wpływając na dokładność i niezawodność czujnika. W zastosowaniach wymagających precyzyjnych pomiarów, takich jak precyzyjna kontrola procesów przemysłowych i monitorowanie krytycznego sprzętu medycznego, histereza może prowadzić do znacznych błędów pomiarowych, a nawet spowodować awarię całego systemu pomiarowego. Dlatego zrozumienie i minimalizacja wpływu histerezy jest kluczowym elementem zapewnienia wydajnego i dokładnego działaniaczujniki ciśnienia.
Rozwiązania dla histerezy w czujnikach ciśnienia:
Aby zapewnić możliwie najniższe efekty histerezy wczujniki ciśnieniaproducenci podjęli kilka kluczowych działań w celu optymalizacji wydajności czujnika:
- Wybór materiału: Wybór materiałów odgrywa decydującą rolę w histerezie. Dlatego producenci starannie wybierają materiały rdzenia stosowane w konstrukcji czujników, takie jak membrany, uszczelnienia i płyny wypełniające, aby mieć pewność, że wykazują one minimalną histerezę w różnych warunkach pracy.
- Optymalizacja projektu: Ulepszając konstrukcję czujników, taką jak kształt, rozmiar i grubość membran, a także optymalizując metody uszczelniania, producenci mogą skutecznie zmniejszyć histerezę spowodowaną tarciem, tarciem statycznym i deformacją materiału.
- Leczenie starzenia: Nowo wyprodukowane czujniki mogą wykazywać znaczną histerezę początkową. Poprzezleczenie starzeniai specjalne programy testowe, materiały można przyspieszyć, aby ustabilizować się i dostosować, zmniejszając w ten sposób początkową histerezę. Poniższy obrazek przedstawiaXDB305przechodzićleczenie starzenia.
- Ścisła kontrola produkcji: Ściśle kontrolując tolerancje i jakość podczas procesu produkcyjnego, producenci zapewniają spójność każdego czujnika i minimalizują wpływ wahań produkcyjnych na histerezę.
- Zaawansowana kalibracja i kompensacja: Niektórzy producenci stosują zaawansowaną technologię cyfrowej kompensacji i metody kalibracji wielopunktowej w celu precyzyjnego modelowania i korygowania histerezy na wyjściach czujników.
- Testowanie i ocena wydajności: Wszystkie czujniki przechodzą szczegółowe testy w celu oceny ich charakterystyki histerezy. Na podstawie wyników testów czujniki są klasyfikowane w celu zapewnienia, że na rynek trafiają wyłącznie produkty spełniające określone standardy histerezy.
- Przyspieszone testowanie żywotności: Aby zweryfikować stabilność działania czujników przez cały oczekiwany okres ich użytkowania, producenci przeprowadzają przyspieszone testy starzenia i żywotności próbek, aby upewnić się, że histereza utrzymuje się w dopuszczalnych granicach.
Te kompleksowe środki pomagają producentom skutecznie kontrolować i redukować zjawisko histerezy wczujniki ciśnienia, zapewniając, że czujniki spełniają wysokie wymagania dotyczące dokładności i niezawodności w rzeczywistych zastosowaniach.
Czas publikacji: 9 maja 2024 r