高溫壓力傳感器標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)研究

譚苗苗

（北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100020）

0 引言

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性是評價(jià)傳感器優(yōu)劣的依據(jù)，包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等靜態(tài)指標(biāo)，以及傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)等。高溫壓力傳感器工作在極端惡劣環(huán)境下[1-3]，其各項(xiàng)性能的標(biāo)定對于測試可行性及準(zhǔn)確性具有重要的實(shí)際意義。傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)通常以高精度傳感器為參考，制定各項(xiàng)指標(biāo)的測試方案，實(shí)施測試實(shí)驗(yàn)獲得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析最終獲得性能指標(biāo)參數(shù)和曲線[4-8]。目前對于常溫壓力傳感器的標(biāo)定方法和實(shí)驗(yàn)研究比較成熟，將被標(biāo)定傳感器置于穩(wěn)定的可變氣體壓力空間內(nèi)，分析壓力輸入與傳感器輸出信號(hào)之間關(guān)系，而高溫壓力傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究還不完善[9-13]。

本文采用已設(shè)計(jì)研制的高溫壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，對傳感器的靜態(tài)性能的多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，分析被標(biāo)定傳感器的性能優(yōu)劣。

1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

所采用的標(biāo)定系統(tǒng)由電動(dòng)立式機(jī)臺(tái)、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。將壓力傳感器和溫度傳感器分別用螺紋固定連接氣缸的2個(gè)輸出口。開啟溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定溫度值，加熱帶工作。達(dá)到溫度設(shè)定值后，開啟壓力控制系統(tǒng)，測定高溫氣體的初始壓力。通過調(diào)節(jié)氣缸活塞桿的高度改變氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)的壓力，并同時(shí)采集壓力傳感器的數(shù)值[14]。

實(shí)驗(yàn)中所標(biāo)定的高溫壓力傳感器為藍(lán)寶石襯底的金屬薄膜壓阻式壓力傳感器[15]。其工作原理為：當(dāng)被測壓力施加在圓形敏感元件上，金屬薄膜由于幾何尺寸的變形造成薄膜電阻的變化，該電阻變化通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流輸出。所標(biāo)定傳感器的輸出電流范圍為4～20 mA。

圖1 高溫壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方案

2.1 壓力傳感器的靈敏度測定

靈敏度是傳感器靜態(tài)性能的重要指標(biāo)。為了提高靈敏度測量精度，對同一溫度被測氣體進(jìn)行3次壓力值重復(fù)測量，將3次測量值取平均值作為傳感器某個(gè)被測壓力值下的輸出值。

設(shè)定溫度為常溫，由電動(dòng)立式機(jī)臺(tái)控制推拉力計(jì)的頂桿緩緩下降，壓縮氣缸內(nèi)的空氣，從而逐漸改變氣缸內(nèi)的氣體壓力。氣體壓力的標(biāo)準(zhǔn)值由推拉力計(jì)測得。標(biāo)定系統(tǒng)中推拉力計(jì)獲得的測量值單位為N，根據(jù)采用的氣缸內(nèi)徑尺寸，可計(jì)算得到以Pa為單位的氣體壓力值。高溫壓力傳感器的輸出電流值通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機(jī)。采用LabVIEW軟件編輯上位監(jiān)測界面，將輸出電流曲線的變化趨勢及實(shí)時(shí)測量值進(jìn)行顯示和保存，如圖2所示。

圖2 高溫壓力傳感器輸出電流采集界面

提取高溫壓力傳感器的電流輸出值和標(biāo)準(zhǔn)壓力值，獲得電流-壓力的標(biāo)定曲線。采用最小二乘法直線進(jìn)行擬合，計(jì)算壓力傳感器的靈敏度。

2.2 溫度對壓力傳感器靈敏度的影響

高溫壓力傳感器可應(yīng)用于高溫被測介質(zhì)的壓力測量，并具有高溫下不被破壞、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此傳感器在測量高溫介質(zhì)時(shí)的靈敏度測試具有重要的實(shí)驗(yàn)價(jià)值。

如圖1所示的標(biāo)定系統(tǒng)，首先開啟溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定溫控器溫度為90℃。此時(shí)氣缸外壁上的加熱帶工作，系統(tǒng)中的溫度傳感器實(shí)時(shí)測量氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)的溫度，當(dāng)溫度超過90℃時(shí)，溫控器輸出開關(guān)信號(hào)給繼電器，加熱帶停止工作。該溫控系統(tǒng)具有反饋調(diào)節(jié)功能，始終保持被測氣體為90℃。然后開啟電動(dòng)立式機(jī)臺(tái)，重復(fù)傳感器靈敏度測試實(shí)驗(yàn)，獲得90℃氣體時(shí)的傳感器靈敏度值。最后將該靈敏度與室溫下的傳感器靈敏度比較，分析溫度對傳感器靈敏度的影響。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 室溫下傳感器的靈敏度

重復(fù)3次測量過程中，傳感器電流輸出值的分散性小，將3次測量的輸出電流平均值列入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格，獲得室溫下傳感器靈敏度的測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。被測氣體的壓力從0.3 kPa逐漸增加至1.2 kPa時(shí)，壓力傳感器的輸出電流值從4.2 mA增加至5.54 mA。由表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，該傳感器的輸出電流隨著被測壓力值的增加而增大，且所測最大壓力為1.2 kPa。

表1 壓力傳感器輸出電流與壓力測量值

圖3 室溫時(shí)的傳感器測試實(shí)驗(yàn)曲線

以氣體壓力值為橫坐標(biāo)，傳感器輸出電流為縱坐標(biāo)，將測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定曲線繪制如圖3中曲線所示。采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，獲得擬合直線如圖3中直線所示，并獲得擬合直線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。由圖3曲線可知，在被測壓力為0.3～1.2 kPa的范圍時(shí)該傳感器具有良好的線性，且傳感器靈敏度為1.52 mA/kPa。

3.2 溫度90℃時(shí)傳感器的靈敏度

當(dāng)被測氣體溫度為90℃時(shí)，未施加氣缸推桿壓力，氣缸內(nèi)被測氣體的初始壓力為0.18 kPa，此時(shí)壓力傳感器的輸出電流為4.1 mA。對氣缸推桿逐漸施加壓力，氣缸內(nèi)被測氣體的壓力由0.18 kPa逐漸增加至0.6 kPa，壓力傳感器的輸出電流值從4.1 mA增加至4.75 mA。傳感器靈敏度的測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

將測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定曲線繪制如圖4中曲線所示，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，獲得擬合直線如圖4中直線所示。根據(jù)擬合直線的數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，該傳感器的靈敏度為1.51 mA/kPa。

表2 壓力傳感器輸出電流與壓力測量值

比較室溫和90℃兩種溫度狀態(tài)下的氣體壓力測量，所標(biāo)定傳感器的靈敏度分別為1.52 mA/kPa和1.51 mA/kPa，兩者差別不大。在被測氣體壓力小于90℃時(shí)，該壓力傳感器的靈敏度性能指標(biāo)受溫度影響不大。

圖4 溫度90℃時(shí)傳感器測試實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

采用所搭建的標(biāo)定系統(tǒng)對高溫壓力傳感器進(jìn)行了靈敏度測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中分別以室溫氣體和90℃氣體為被測介質(zhì)，以壓力傳感器的檢測輸出電流和高精度推拉力計(jì)的壓力值為橫縱坐標(biāo)，獲得實(shí)驗(yàn)標(biāo)定曲線，通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合直線分析傳感器的靈敏度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，壓力傳感器對于室溫和90℃氣體的壓力測量靈敏度差別不大，約為1.5 mA/kPa。因此，對小于90℃溫度的氣體測量時(shí)，該壓力傳感器的靈敏度指標(biāo)受溫度影響不大。