Na medição de pressão, você poderá notar que os resultados da medição não refletem imediatamente as alterações na pressão de entrada ou não correspondem totalmente quando a pressão retorna ao seu estado inicial. Por exemplo, ao usar uma balança de banheiro para medir o peso, o sensor da balança requer tempo para detectar e estabilizar com precisão a leitura do seu peso. Otempo de respostado sensor leva a flutuações iniciais de dados. Assim que o sensor se ajustar à carga e concluir o processamento dos dados, as leituras exibirão resultados mais estáveis.Isto não é um defeito do sensor, mas uma característica normal de muitos dispositivos eletrônicos de medição, especialmente quando envolvem processamento de dados em tempo real e obtenção de estado estacionário. Este fenômeno pode ser chamado de histerese do sensor.
O que é histerese em sensores de pressão?
Sensorhisteresenormalmente se manifesta quando há uma mudança na entrada (como temperatura ou pressão) e o sinal de saída não segue imediatamente a mudança de entrada, ou quando a entrada retorna ao seu estado original, o sinal de saída não reverte totalmente ao seu estado inicial . Este fenômeno pode ser observado na curva característica do sensor, onde existe uma curva atrasada em forma de loop entre a entrada e a saída, ao invés de uma linha reta. Especificamente, se você começar a aumentar a entrada a partir de um determinado valor específico, a saída do sensor também aumentará de acordo. No entanto, quando a entrada começa a diminuir de volta ao ponto original, você descobrirá que os valores de saída são superiores aos valores de saída originais durante o processo de redução, formando um loop oucircuito de histerese. Isto mostra que durante o processo crescente e decrescente, o mesmo valor de entrada corresponde a dois valores de saída diferentes, que é a exibição intuitiva da histerese.
O diagrama mostra a relação entre a saída e a pressão aplicada em um sensor de pressão durante o processo de aplicação de pressão, representada na forma de uma curva de histerese. O eixo horizontal representa a saída do sensor e o eixo vertical representa a pressão aplicada. A curva vermelha representa o processo onde a saída do sensor aumenta com o aumento gradual da pressão, mostrando o caminho de resposta de baixa para alta pressão. A curva azul indica que à medida que a pressão aplicada começa a diminuir, a saída do sensor também diminui, de alta pressão para baixa, representando a reação do sensor durante a descarga de pressão. A área entre as duas curvas, o circuito de histerese, exibe a diferença na saída do sensor no mesmo nível de pressão durante a carga e a descarga, normalmente causada pelas propriedades físicas e pela estrutura interna do material do sensor.
Razões para histerese de pressão
O fenômeno da histerese emsensores de pressãoé influenciado principalmente por dois fatores principais, que estão intimamente relacionados às propriedades físicas e ao mecanismo operacional do sensor:
- Histerese elástica do material Qualquer material sofrerá um certo grau de deformação elástica quando sujeito a forças externas, uma resposta direta do material às forças aplicadas. Quando a força externa é removida, o material tenta retornar ao seu estado original. No entanto, esta recuperação não é completa devido à não uniformidade na estrutura interna do material e às ligeiras alterações irreversíveis na microestrutura interna durante repetidas cargas e descargas. Isso resulta em um atraso no comportamento mecânico durante processos contínuos de carga e descarga, conhecido comohisterese elástica. Este fenômeno é particularmente evidente na aplicação desensores de pressão, já que os sensores muitas vezes precisam medir e responder com precisão às mudanças de pressão.
- Fricção Nos componentes mecânicos de um sensor de pressão, especialmente aqueles que envolvem peças móveis, a fricção é inevitável. Este atrito pode vir de contatos dentro do sensor, como pontos de contato deslizantes, rolamentos, etc. Quando o sensor suporta pressão, esses pontos de atrito podem impedir o livre movimento das estruturas mecânicas internas do sensor, causando um atraso entre a resposta do sensor e o pressão real. Quando a pressão é descarregada, as mesmas forças de atrito também podem impedir a parada imediata das estruturas internas, apresentando assim também histerese durante a fase de descarregamento.
Esses dois fatores juntos levam ao loop de histerese observado nos sensores durante repetidos testes de carga e descarga, uma característica que costuma ser particularmente preocupante em aplicações onde a precisão e a repetibilidade são altamente exigidas. Para reduzir o impacto deste fenômeno de histerese, o design cuidadoso e a seleção de materiais para o sensor são cruciais, e algoritmos de software também podem ser necessários para compensar essa histerese nas aplicações.
O fenômeno da histerese emsensores de pressãoé influenciado por vários fatores diretamente relacionados às propriedades físicas e químicas do sensor e ao seu ambiente operacional.
Que fatores levam à histerese do sensor?
1. Propriedades dos materiais
- Módulo de elasticidade: O módulo de elasticidade do material determina o grau de deformação elástica quando sujeito a força. Materiais com maior módulo de elasticidade deformam-se menos e suahisterese elásticapode ser relativamente menor.
- Índice de Poisson: O índice de Poisson descreve a relação entre a contração lateral e o alongamento longitudinal em um material quando sujeito a força, o que também afeta o comportamento do material durante o carregamento e descarregamento.
- Estrutura interna: A microestrutura do material, incluindo estrutura cristalina, defeitos e inclusões, afeta seu comportamento mecânico e características de histerese.
2. Processo de fabricação
- Precisão de usinagem: A precisão da usinagem dos componentes do sensor afeta diretamente seu desempenho. Componentes com maior precisão se ajustam melhor, reduzindo o atrito adicional e a concentração de tensão causada por um ajuste inadequado.
- Rugosidade da superfície: A qualidade do tratamento da superfície, como a rugosidade da superfície, afeta a magnitude do atrito, influenciando assim a velocidade de resposta e a histerese do sensor.
- As mudanças de temperatura afetam as propriedades físicas dos materiais, como o módulo de elasticidade e o coeficiente de atrito. As altas temperaturas geralmente tornam os materiais mais macios, reduzindo o módulo de elasticidade e aumentando o atrito, aumentando assim a histerese. Por outro lado, as baixas temperaturas podem tornar os materiais mais duros e quebradiços, afetando a histerese de diferentes maneiras.
3. Temperatura
- As mudanças de temperatura afetam as propriedades físicas dos materiais, como o módulo de elasticidade e o coeficiente de atrito. As altas temperaturas geralmente tornam os materiais mais macios, reduzindo o módulo de elasticidade e aumentando o atrito, aumentando assim a histerese. Por outro lado, as baixas temperaturas podem tornar os materiais mais duros e quebradiços, afetando a histerese de diferentes maneiras.
Riscos
A presença de histerese emsensores de pressãopode causar erros de medição, afetando a precisão e a confiabilidade do sensor. Em aplicações que exigem medições de alta precisão, como controle preciso de processos industriais e monitoramento de equipamentos médicos críticos, a histerese pode levar a erros de medição significativos e até mesmo causar falhas em todo o sistema de medição. Portanto, compreender e minimizar o impacto da histerese é uma parte fundamental para garantir a operação eficiente e precisa dosensores de pressão.
Soluções para Histerese em Sensores de Pressão:
Para garantir os menores efeitos de histerese possíveis emsensores de pressão, os fabricantes tomaram diversas medidas importantes para otimizar o desempenho do sensor:
- Seleção de materiais: A escolha dos materiais desempenha um papel decisivo na histerese. Portanto, os fabricantes selecionam cuidadosamente os materiais do núcleo usados na construção do sensor, como diafragmas, vedações e fluidos de enchimento, para garantir que apresentem histerese mínima sob diferentes condições de trabalho.
- Otimização do projeto: Ao melhorar o projeto estrutural dos sensores, como formato, tamanho e espessura dos diafragmas, e otimizar os métodos de vedação, os fabricantes podem reduzir efetivamente a histerese causada por atrito, atrito estático e deformação do material.
- Tratamento de envelhecimento: Sensores recém-fabricados podem apresentar histerese inicial significativa. Atravéstratamento de envelhecimentoe programas de testes específicos, os materiais podem ser acelerados para estabilizar e se adaptar, reduzindo assim esta histerese inicial. A imagem abaixo mostra oXDB305passando portratamento de envelhecimento.
- Rigoroso controle de produção: Ao controlar rigorosamente as tolerâncias e a qualidade durante o processo de produção, os fabricantes garantem a consistência de cada sensor e minimizam o impacto das variações de produção na histerese.
- Calibração e compensação avançadas: Alguns fabricantes usam tecnologia avançada de compensação digital e métodos de calibração multiponto para modelar e corrigir com precisão a histerese nas saídas do sensor.
- Testes e classificação de desempenho: Todos os sensores passam por testes detalhados para avaliar suas características de histerese. Com base nos resultados dos testes, os sensores são classificados para garantir que apenas produtos que atendam a padrões específicos de histerese sejam lançados no mercado.
- Testes de vida útil acelerados: Para verificar a estabilidade do desempenho dos sensores ao longo de sua vida útil esperada, os fabricantes realizam testes de envelhecimento acelerado e de vida útil nas amostras para garantir que a histerese permaneça dentro dos limites aceitáveis.
Estas medidas abrangentes ajudam os fabricantes a controlar e reduzir eficazmente o fenómeno de histerese emsensores de pressão, garantindo que os sensores atendam aos requisitos de alta precisão e confiabilidade em aplicações reais.
Horário da postagem: 09 de maio de 2024