應用于PSP校準的壓力傳感器設計

沈陽儀表科學研究院有限公司 金 琦 楊吉鵬 魏曉明 李 斌 王 靜

1 技術背景

壓力敏感涂料（Pressure Sensitive Paint-PSP）是近年來發展起來的一種非接觸的測壓技術。隨著PSP技術在航空風洞實驗、汽車風洞實驗等領域的應用越來越多，各種快速響應涂料相繼研發并應用到各種實驗中，與此同時，對新型涂料性能的評估和標定，以及在靜態條件下的測試技術也需要革新。

目前，國內許多科研單位采用進口的動態壓力傳感器對快速響應涂料的性能進行校準、評估工作。這類傳感器的主要特點是：適合高溫工作環境、自身固有頻率高、體積小等特點，但是在針對各類特種實驗研發的特種涂料的校準測試中，傳感器的參數很難做到完全匹配。基于這個原因，結合發動機研究院某型葉柵快速PSP涂料校準訂制研發了一種新型的動態壓力傳感器，該傳感器針對特種涂料，按計算和實驗需求給出壓力范圍精度、頻響、信號輸出類型、整體結構尺寸等必要的參數，在最終的實驗中，準確快速的完成對涂料動態性能的校準和比對。

2 核心技術

2.1 高速響應的PSP校準技術

本次設計采用全程可控的激波裝置為涂料響應時間進行測試，激波裝置的工作原理如圖1所示。設備的的橫截面為自定義矩形，高速氣體加速段和爆破段的壓比為人為設定。整個設備啟動時，由于加速段與爆破段間的壓力差作用而導致中間膜爆破，因而形成動態的激波。在爆破段管內壁上安裝動態壓力傳感器與PSP涂料試件，采用波長可控的連續式激光器作為PSP試件的激勵光源，PSP試件產生的反射光信號通過濾光鏡過濾不需要的光波，最后的有用信號利用數采設備進行采集處理。

圖1 整體試驗設備工作示意圖

2.2 動態壓力傳感器技術

具有寬的頻響、優良的動態性能的壓力傳感器在PSP校準試驗中起到非常關鍵的作用。傳統的應變式壓力傳感器，因本身太低的固有頻率早已滿足不了需要；而一直以來用于動態壓力測量的壓電式壓力傳感器也越來越難以適應寬廣而苛刻的測試要求。最新的研究表明采用硅壓阻式原理的壓力傳感器代替壓電式傳感器將對試驗的各項性能、參數、指標和校準結果起到更好的效果。

目前，硅壓阻式壓力傳感器大多采用兩種方式：一是充灌定量的硅油當介質來隔離被測壓力與敏感器件，這種結構的傳感器體積較大、且高溫性能普遍較差，不適用于小空間和高溫的測試環境中；二是一種由軟引線做為輸出信號的非充油式封裝結構，其測壓的敏感芯片和導電的鍵合引線外露，導致傳感器耐腐蝕性和穩定性極差。本文涉及的傳感器采用新的設計和工藝，產品體積滿足用戶要求，并且可以在200℃溫度下穩定工作，同時具有較高的靈敏度和精度。

3 傳感器設計原理及技術參數

3.1 傳感器設計原理

本次設計的壓阻式壓力傳感器采用SOI壓力敏感芯片做為敏感元件，采用無引線封裝工藝，同時保證了產品體積小且避免了鍵合引線的使用，提高了產品的穩定性和可靠性。經過可靠性分析和在極限溫度下的性能測試，該傳感器性能優良，可應用于-55℃~200℃全溫區內的動態和靜態壓力測量，且產品裝配工藝按實際需求訂制，經實驗驗證，產品性能完全符合試驗要求。

3.2 傳感器技術參數

表1 動態壓力傳感器技術參數

3.3 傳感器結構

圖2 傳感器結構示意圖

4 應用領域

本文研究了快速響應PSP涂料在高速葉柵葉片表面動態壓力測量的實驗技術，其中，最重要的基準源之一的動態壓力傳感器的研發，取得了理想效果，為今后類似實驗夯實了基礎，提供了可參考標準。另外，隨著PSP技術日新月異的發展，很快將廣泛的應用在民用航空、航天、汽車等領域，而作為動態指標檢測的基準源，此類的壓力傳感器也將得到更廣泛的應用。