隨著壓力監測系統變得越來越復雜，自動調零校準正成為越來越多應用的關鍵技術。需要高精度的常見醫療應用包括無創血壓監測儀和微型泵。另一種新的醫學應用是傷口治療，其中控制傷口的負壓促進愈合。自動歸零校準還可以在一系列消費和商業電器(包括咖啡機、洗碗機和洗衣機)的整個生命周期內保持消費產品的準確性。

無論應用如何，自動歸零校準都是從在已知參考點對輸出進行采樣開始的。然后，在傳感器中嵌入的信號調節 ASIC 上運行的軟件可以將輸出調整到正確的壓力。這個過程的關鍵概念是理想的傳遞函數。

理想的傳遞函數在算法上描述了工作壓力和傳感器在傳感器工作范圍內的數字輸出之間的關系。圖 1 顯示了數字傳感器的理想傳遞函數。它還顯示了理想的偏移量，即在自動歸零計算中用作參考的壓力下的正確輸出。

圖 1：壓力傳感器通常顯示線性傳遞函數。

各種現實條件會改變理想的傳遞函數并產生偏移誤差。這些條件包括正常的零件間差異和產品老化。圖 2 顯示了誤差偏移的示例。

圖 2：偏移誤差是理想和現實世界傳遞函數之間的差異。

自動歸零基礎

傳感器制造商通常會在工廠校準設備以實現高精度輸出，但所有傳感器一旦進入現場就會出現一些偏移誤差。幸運的是，最終用戶可以減輕這些重復出現的錯誤。

由于自動歸零校準是在軟件中實現的，因此可以在傳感器部署到現場后執行——強烈建議這樣做。當“原位”校正不可行時，應在工廠校準之后但在部署之前執行自動歸零校準。這消除了由于將設備安裝在電路板上的壓力以及工廠校準引起的任何錯誤。

現場校準有兩種常見情況：固定時間間隔和系統檢測到溫度變化時。這兩個選項并不相互排斥。定期校準在超低壓應用中尤為重要。原因：在 1 psi 或以下工作的傳感器本質上更容易因壓力和環境壓力而出現偏移誤差。建議使用溫度觸發校準，因為溫度變化是導致誤差的主要因素。

在概述實施自動歸零校準技術之前，有必要列舉幾個壓力傳感器中最重要的偏移誤差來源。已經提到了正常零件間的變化和老化。

焊接設備時，或使用粘合劑將傳感器連接到包裝上，或將傳感器集成到氣動系統中時，會導致應力誤差。溫度變化、濕度和壓力等環境條件也會導致偏移誤差。即使電源電壓的微小變化以及與設備制造和工廠校準相關的不可避免的變化也會使輸出值出現偏差。

對于系統設計人員來說，好消息是它們的組合效應不會顯著改變傳遞函數的線性度。它實際上仍然是一條直線。這說明了自動歸零校準技術的有效性。

應該注意的是，雖然自動歸零校準對于表壓和差壓測量來說是一種有價值的策略，但對于測量絕對壓力(需要真空源)的傳感器來說很難實施，因此不推薦使用。

自動歸零校準本質上是由嵌入式 ASIC 中的固件執行的算法過程。詳細的解釋超出了本文的范圍。完整的描述，包括示例代碼，可以在壓力傳感器的技術說明自動歸零校準技術中找到。該過程的概述如下：

自動歸零校準方法從在已知環境條件下測量和記錄參考壓力開始。最好使用盡可能接近零的參考壓力。該過程還需要知道最小和最大工作壓力及其相應的數字輸出。因為理想和現實世界的傳遞函數都是線性的，所以參考壓力處的偏移誤差提供了工作限制內任何壓力下的偏移誤差。

公式 1 描述了壓力傳感器的理想傳遞函數：

其中：

輸出 = 任何給定壓力下的輸出讀數

Output min = 最小工作壓力下的理想輸出讀數

Output max = 最大工作壓力下的理想輸出讀數

P min = 最小工作壓力

P max = 最大工作壓力

由于目標是獲取壓力讀數，因此等式 1 可以重寫為以下等式 2：

最好的做法是獲取多個讀數并將它們平均，而不是依賴于單個讀數。

通過從已知參考壓力中減去測量壓力值的平均值來獲得自動歸零值。既然知道自動歸零值，就可以使用它來調整錯誤，如下所示：

讀取傳感器讀數。

使用公式 2 計算壓力。

從測量值中減去自動歸零值，得到校正值。

結論

自動歸零校準解決了壓力傳感器在離開制造商后失去精度的問題。這是一種算法解決方案，實施起來簡單且相對便宜，因為它采用了簡單的 ASIC 和幾行代碼。該技術對于越來越多需要比過去更高的精度和測量穩定性的壓力傳感器應用特別有價值。

審核編輯：湯梓紅