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Drucksensoren: Definitionen und Begriffe

Genaue Ungenauigkeiten

27. April 2016, 9:56 Uhr | Markus Schwan

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Fehlerarten

Fehlerarten bei Drucksensoren:

Nullpunktfehler und Spanne-Fehler: Durch die Produktion der Sensoren ergeben sich initiale Abweichungen zum Normal- oder Referenzgerät. Je nach Komplexität des Sensors und nach Herstellungsaufwand können daraus große oder kleine Abweichungen resultieren.
Nichtlinearität: Die Nichtlinearität ist als die Abweichung des Sensorsignals von einer idealen Geraden definiert. Wesentlich ist, wie die ideale Gerade beschrieben ist oder gefunden wird. Meist wird die »Best Fitting Straight Line« (BFSL) verwendet. Dies ist eine Gerade, die durch ein Näherungsverfahren (häufig Suche nach dem kleinsten Fehlerquadrat) an die Kennlinie des Sensors angenähert wird. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Linearität auf den Start- und Endpunkt zu beziehen oder als Fixgerade zu definieren.
Temperaturfehler im Nullpunkt und der Signalspanne: Jeder Drucksensor ist auch ein Temperatursensor. Dabei ist der Nullpunkt temperaturabhängig, was einer Parallelverschiebung der Ausgangskennlinie durch den Temperatureinfluss entspricht. Die Empfindlichkeit des Sensors sinkt mit steigender Temperatur.
Temperatur- und Druckhysterese: Je nach der Richtung, aus der auf einen Ausgangspunkt in Druck oder Temperatur zurückgekehrt wird, kann der erzielte Ausgabewert des Sensors vom Ausgangswert abweichen. In der Regel sind diese Fehler sehr klein, so dass eine Temperaturhysterese selten oder gar nicht spezifiziert wird. Die Druckhysterese fällt meist mit der Linearität zusammen.
Reproduzierbarkeit (Wiederholfehler): Als Wiederholfehler werden Abweichungen im Ausgangssignal bei mehrfach angefahrenen identischen Arbeitspunkten definiert.

Weitere Faktoren, die sich auf die Genauigkeit des Systems auswirken können, sind:

Antwortzeit: Die Antwortzeit ist die Reaktionszeit des Sensorchips. Diese kann durch mechanische Konstanten bestimmt sein, v. a. aber durch den Druck, der eine endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit hat. Bei digitalen Drucksensoren wird die Antwortzeit häufig als die Zeit definiert, die der verwendete Controller für die Signalwandelung und Verarbeitung benötigt.
Abhängigkeit von der Versorgungsspannung: Das Ausgangssignal des Sensors ist vom Wert der Versorgungsspannung (Ratiometrie) abhängig. Auch von deren Rippeln oder Rauschen.
Lageabhängigkeit: Die Lage des Sensors wirkt sich auf das Ausgangssignal aus. Es muss berücksichtigt werden, ob der Sensor mit dem »Kopf« nach oben oder nach unten eingebaut wird.
Kurzzeit- und Langzeitstabilität: In puncto Stabilität unterscheidet man zwischen der kurzzeitigen Stabilität und langzeitigen Stabilität. Die kurzzeitige Stabilität wird meist durch thermische Veränderungen nach dem Einschalten verursacht. Die langzeitige Stabilität, rührt von der Alterung der Materialien oder durch die Verringerung der mechanischen Spannung im System her.

Beim Vergleich unterschiedlicher Datenblätter von Drucksensoren ist es essentiell, identische Druckeinheiten, wie mm Quecksilber (Hg), Kilopascal (kPA), bar, Zoll Wasser, etc. zu verwenden. Außerdem gilt es zu prüfen, unter welchen Bedingungen die Spezifikationen erstellt wurden.

Die meisten MEMS- Drucksensoren werden bei einer fixen Versorgungsspannung und einer festgelegten Temperatur (eventuell auch Feuchte) definiert. Weiterhin ist bei Fehlerangaben in Prozent darauf zu achten, welche Bezugsgröße für die Prozentberechnung herangezogen wurde. In den meisten Fällen werden auf Endwerte oder Messwerte bezogene Fehler berücksichtigt. Endwertbezogene Fehler sind z. B.:

Full Scale Span (FSS): Die maximale Signalspanne
Full Scale (FS): Der maximaler Druckmesswert
Full Scale Output (FSO): Der Ausgangswert bei maximalem Druck mit Berücksichtigung des Offsets