Metody zmenšení chyb senzorů

       Jak jsme již uvedli, senzory při reakci na vnější vstupní podnět dávají výstupní signál zatížený také vnitřními a vnějšími parazitními vlivy. Vnitřní chyby senzorů jsou dány vlastními systematickými a náhodnými procesy senzoru a jeho vnitřním rušením. Vnějším vlivem je jednak vazba na měřený proces, jednak vazba výstupu na další obvody a vyhodnocování.

       Vstupní vazba senzoru na proces je dána kvalitou přenosu měřeného podnětu na senzor a případnou zpětnou vazbou působení senzoru na proces. Např. senzor pro měření teploty musí mít zajištěn co nejdokonalejší přestup tepla do senzoru z měřené plochy. Zpětná vazba senzoru na proces může být tepelné působení senzoru na snímanou plochu při snímání elektromagnetického záření.

       Vliv výstupních vazeb leze nejčastěji pozorovat u parametru zátěžného odporu výstupní jednotky a nebo u rušení na spojovacím vedení. Zpětným působením vyhodnocovací jednotky může být např. ohřev teplotního odporového senzoru od měřicího proudu.

       V praxi jsou používány metody, které umožní zmenšit vznik chyb snímání senzorů. Mezi nejznámější metody můžeme zařadit:

kompenzační zapojení senzorů

diferenční zapojení senzorů

zpětnovazební zapojení senzorů

linearizační zapojení

filtraci

posuv spektra

korekce dynamické chyby.

       Kompenzační metoda.

       Měřicí senzor má na vstupu vnější podnět  a poruchovou veličinu . Poruchová veličina je současně snímána kompenzačním senzorem. Výstup obou senzorů je v rozdílovém členu vyhodnocen podle rovnice:

kde

je citlivost senzoru měřené veličiny

citlivost senzoru poruchové veličiny

citlivost korekčního senzoru.

       Pro kvalitní kompenzaci je podmínkou rovnost citlivosti měřicího a kompenzačního senzoru na poruchovou veličinu. Příkladem kompenzace může být zapojení pro vyhodnocování termoelektrických senzorů.

       Metoda diferenčního zapojení senzorů používá dva stejné senzory s tím, že jejich zapojení je s opačným znaménkem.

       Výstup obou senzorů je v rozdílovém členu vyhodnocen podle rovnice:

kde

konstanta statické charakteristiky v bodě

relativní chyba měření od nelinearity.

       Z výše uvedeného vztahu vyplývá, že citlivost zapojení se zvyšuje dvojnásobně. Zapojení eliminuje také rušivé aditivní chyby senzorů. Jako příklad diferenčního zapojení senzorů můžeme uvést tříelekrodový kapacitní senzor.

       Metoda zpětnovazebního senzoru má zavedenou zpětnou vazbu výstupu senzoru do vnitřního zapojení senzoru.

       Za předpokladu, že konstanty senzoru  můžeme pro výstup  psát:

kde

zesílení převodníku

zesílení zesilovače

zesílení korekce.

       Při dostatečně velkém zesílení zesilovače a převodníku závisí přenos senzoru pouze na zesílení korekčního zesilovače. Tento zesilovač musí dále vykazovat malé chyby nelinearity, mít dobrou stabilitu přenosu a odolnost vůči rušivým vlivům. Tyto požadavky lze zpravidla dostatečně splnit. Senzor musí mít jen dobrou stabilitu nuly. Metoda zpětnovazebního senzoru se používá např. u tekutinových senzorů s vyrovnáním výchylky.

       Senzor, který má zesílení  vykazující nelinearitu, má v sérii zapojený linearizační člen se zesílením  s umělou nelinearitou. Pro výslednou konstantu přenosu senzoru lze napsat vztah:

kde

je střední hodnota vzestupné a klesající závislosti

relativní chyba senzoru.

       Aby bylo dosaženo výsledné lineární charakteristiky, musí pro linearizační člen platit:

kde

je střední hodnota vzestupné a klesající závislosti

       Pro praktické aplikace řešíme linearizační člen tak, aby platilo . Tento problém se vyskytuje u senzorů velmi často, jako např. u senzorů indukčnostních, polovodičových apod.

       Při aplikacích mikroelektroniky lze pro linearizaci použít číslicové zpracování signálů podle matematické funkce nebo podle tabulky přepočtových hodnot.

       Metoda automatické kalibrace je běžně užívána v obvodech používajících číslicovou techniku. Výstupní signál senzoru se upravuje podle kalibračních údajů získaných přepínáním na nulové a referenční napětí. Příkladem automatické kalibrace je měřicí systém termovize.

       Metodou filtrace se zajistí potlačení spektra rušivých signálů. Pomocí klasických filtrů se vyfiltruje spektrum jiných frekvencí než frekvence měřeného signálu. Složitější řešení se musí použít při senzorech, kde frekvence senzoru a rušivých veličin jsou ve společném pásmu. Jestliže rušivé vlivy se uplatňují v citlivé části senzoru, použije se periodicky proměnný měřicí signál o známé frekvenci. Jiný způsob je použití modulování a demodulování měřeného signálu.