کالیبراسیون سنسور
اگر تلورانس ساخت سنسور و تلرانس مدار رابط (شرطی‌سازی سیگنال) بیشتر از دقت موردنیاز برای سیستم باشد؛ کالیبراسیون لازم است. برای مثال، نیاز داریم دما را با دقت 0.5± درجه سانتی گراد اندازه‌گیری کنیم. با این‌حال، یک سنسور با دقت 1± درجه سانتی گراد در دست داریم . آیا این بدین معنی است که این سنسور قابل استفاده نیست؟ خیر، می‌تواند استفاده شود اما این سنسور خاص، باید کالیبره شود.
به این معنا که باید یک تابع انتقال منحصربفرد در حین کالیبراسیون پیدا کنیم. کالیبراسیون، به‌معنای تعیین متغیرهای خاصی است که تابع انتقال کلی را توصیف می‌کند. این متغیرها شامل، میانگین کل مدار، از جمله سنسور، مدار رابط و مبدل A/D می‌باشد. مدل ریاضی تابع انتقال باید قبل از کالیبراسیون مشخص شود. اگر این مدل، خطی باشد ( S=a+bs )؛ کالیبراسیون باید متغیرهای a و b را تعیین کند. اگر مدل، نمایی باشد ( S=a*e^ks)؛ متغیرهای a و k باید تعریف شوند و غیره.
اگر یک تابع انتقال خطی ساده را درنظر بگیریم. از آنجایی‌که برای تعریف یک خط مستقیم به حداقل دو نقطه نیاز است؛ حداقل یک کالیبراسیون دو نقطه‌ای لازم است. به‌عنوان مثال، اگر از یک نیمه هادی اتصال P-N بایاس مستقیم برای اندازه‌گیری دما استفاده کنیم. با درجه‌ی دقت بالا، تابع انتقال آن می‌تواند خطی درنظر گرفته شود: ( دما ورودی و ولتاژ خروجی محسوب میشود)
برای تعیین ثابت‌های a و b باید سنسور تحت دو دمای ( t1 و t2 ) قرار گرفته و دو ولتاژ خروجی متناظر (v1 و v2) ثبت شوند. سپس، پس از جایگزینی این مقدار در معادله‌ی بالا به معادله‌ی زیر، می‌رسیم:
و ثابت‌ها به‌صورت زیر محاسبه می‌شوند:
برای محاسبه‌ی دما از روی ولتاژ خروجی، یک ولتاژ اندازه‌گیری‌شده را در معادله‌ی معکوس جایگزین می‌کنیم:
برخی اوقات بصورت شانسی امکان دارد یکی از ثابت‌ها با دقت کافی مشخص شود به‌طوری‌که دیگر نیازی به کالیبراسیون آن ثابت خاص نباشد. در همان سنسور دمای ذکر شده‌ی اتصال PN، شیب b معمولا برای یک مقدار معین و نوع مشخص نیمه‌هادی، مقداری ثابت است. به‌عنوان مثال اگر مقدار b برای یک نوع انتخاب‌شده از دیود 0.002268V/°C- باشد، سپس یک کالیبراسیون تک‌نقطه‌ای برای یافتن a=v1+0.00268t1 موردنیاز است.
برای توابع غیرخطی بسته به مدل ریاضی تابع انتقال، امکان دارد بیش از دونقطه، موردنیاز باشد. هر تابع انتقال، می‌تواند توسط یک چندجمله‌ای مدل شود و بسته به دقت موردنیاز، تعداد نقاط کالیبراسیون باید انتخاب شود. از آنجایی‌که کالیبراسیون ممکن است یک فرآیند زمان بر باشد، برای کاهش هزینه در تولید، به‌حداقل رساندن تعداد نقاط کالیبراسیون بسیار مهم است.
روش دیگر برای کالیبره کردن تابع انتقال غیرخطی، استفاده از تقریب تکه‌ای است. همانطور که قبلا بیان شد؛ هر بخش از یک منحنی زمانی‌که به اندازه‌ی کافی کوچک باشد؛ می‌تواند خطی درنظر گرفته‌شود و با معادله ( S= a + bs )، مدل‌سازی شود. سپس، یک انحنا توسط خانواده‌ای از خطوط مستقیم ( خطی ) توصیف میشود که هرکدام ثابت‌های a و b خود را دارند. در طول اندازه‌گیری، باید تعیین کرد که یک ولتاژ خروجی خاص S در کجای منحنی قرار دارد و مجموعه‌ای از ثابت‌های a و b مناسب را برای محاسبه‌ی مقدار یک محرک مربوطه s از معادله‌ی یکسان با معادله‌ی 4 انتخاب کنید.
برای کالیبره‌کردن سنسورها، برقراری و حفظ درست دقت و صحت استانداردهای فیزیکی لازم برای محرک مناسب ضروری است. به‌عنوان مثال، برای کالیبره‌کردن سنسورهای دمای تماسی، یک حمام آب با کنترل دما یا یک حفره‌ی “چاه خشک” ( dry-well ) نیاز است. برای کالیبره‌کردن حسگرهای مادون قرمز، به یک حفره‌ی جسم سیاه ( blackbody cavity )، نیاز است. کالیبراسیون یک رطوبت‌سنج، به یک سری محلول نمک اشباع برای حفظ رطوبت نسبی ثابت در یک ظرف دربسته و غیره، نیاز دارد. باید به وضوح درک کرد، که دقت سیستم سنجش، مستقیما به دقت کالیبراتور وابسته است..
منبع :
Jacob Fraden. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications. ۲۰۱۶
