溫度對氣壓傳感器性能的影響研究

汪 洋，陳 珊，韓 嘯，李 暉，韓 偉，湯學群，李建宇

（湖南省氣象技術(shù)裝備中心，湖南 長沙 410007）

0 引言

氣壓是氣象觀測的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對預報預測、氣象服務(wù)意義重大。氣象部門普遍使用維薩拉公司生產(chǎn)的PTB 系列氣壓傳感器，該傳感器采用BAROCAP 硅電容式絕對壓力傳感器測量大氣壓力。氣壓傳感器受環(huán)境溫度的影響很大，在氣壓傳感器內(nèi)部也增加了專門的溫度補償電路，但是并不能完全消除溫度的影響。而氣壓傳感器安裝在室外的主采集器機箱中，在湖南地區(qū)室外環(huán)境溫度一般為-10～40℃，對氣壓傳感器測量精度必然會產(chǎn)生一定的影響。為保證氣壓傳感器的數(shù)據(jù)準確，每年需要進行一次實驗室檢定，實驗室檢定的環(huán)境溫度通常為20℃，所以給出的訂正值也是20℃環(huán)境下的訂正值，那么在其他溫度環(huán)境下氣壓傳感器的誤差有多大并不得而知。

氣壓傳感器的性能受溫度的影響較大，國內(nèi)許多同行對于氣壓傳感器的溫度影響進行了一些研究，如胡帆、金銳等[1-2]研究過不同環(huán)境溫度條件下對氣壓傳感器進行校準產(chǎn)生的影響，吳非洋、張?zhí)烊A等[3-4]研究過溫度與風速對氣壓傳感器現(xiàn)場校準的影響，李文博等[5]在不同溫濕度條件下對氣壓傳感器的性能進行了測試。本文在以前的研究基礎(chǔ)上對根據(jù)我省特點對國家站使用的氣壓傳感器進行了實驗，探索溫度對氣壓傳感器的影響。

1 氣壓傳感器工作原理

湖南省氣象部門使用的氣壓傳感器一般為PTB220 和PTB330 型，如圖1 所示。為VAISALA 公司的產(chǎn)品，現(xiàn)用的主流型號為PTB330 型，屬于硅電容式氣壓傳感器。硅電容式氣壓傳感器由壓力敏感元件、壓力轉(zhuǎn)化元件和信號處理元件三部分組成[6]。PTB330 型氣壓傳感器具有動態(tài)范圍廣、無遲滯和可重復性特性。傳感器自身不發(fā)熱，具有很好的耐溫變和長期穩(wěn)定性。

圖1 氣壓傳感器結(jié)構(gòu)

PTB330 型硅電容氣壓傳感器的核心元件由單晶硅的薄層構(gòu)成，單晶硅的薄層焊接在涂有金屬導電膜的玻璃板上，形成中間真空的硅膜盒。通過蝕刻使靠近玻璃板的單晶硅晶片上形成硅膜，并在硅膜上噴金使其導電，進而讓導電玻璃板和硅膜構(gòu)成平行板電容器。當大氣壓力發(fā)生變化時，單晶硅膜盒會出現(xiàn)彈性形變，從而使硅膜盒的電容發(fā)生變化。通過RC 振蕩電路，測量硅電容器的電容值，通過壓力線性修正和溫度補償，獲得隨氣壓輸入信號變化的模擬電信號，通過采集電路測量出當前的大氣壓力值。

2 實驗方法

本文使用六個維薩拉公司的PTB330 氣壓傳感器進行實驗，根據(jù)湖南省的溫度特點，利用恒溫恒濕箱制造不同的溫度環(huán)境（-10～40℃），把氣壓傳感器放置于不同的溫度環(huán)境中，通過便攜式壓力校驗儀產(chǎn)生氣壓值，通過對比常溫下（20℃）的氣壓標準器示值和不同溫度環(huán)境下的氣壓傳感器示值，獲得氣壓傳感器在不同溫度條件下的測量誤差，通過分析不同溫度條件下的測量誤差實現(xiàn)氣壓傳感器的溫度訂正。

為方便實驗，將六臺傳感器自行編號為001、002、003、004、005、006。根據(jù)氣壓傳感器在我省大部分地域使用時的環(huán)境溫度，選取-10℃、0℃、＋10℃、＋20℃、＋30℃、＋40℃，共6 個溫度測試點。控制氣壓從500hPa～1100hPa，選取500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、1000hPa 和1100hPa 共7 個氣壓測試點。按照氣壓傳感器檢定規(guī)程規(guī)定的檢定方法在每個溫度點進行兩次正反行程檢定實驗，得到各氣壓檢定點上傳感器的誤差平均值。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

當溫度從-10℃升高至＋40℃，氣壓分別從500hPa升高至1100hPa 時，氣壓傳感器001、002、003、004、005、006 的平均誤差如表1 至表6 所示。

表1 氣壓傳感器001 各溫度點平均誤差 單位：hPa

表2 氣壓傳感器002 各溫度點平均誤差 單位：hPa

表3 氣壓傳感器003 各溫度點平均誤差 單位：hPa

表4 氣壓傳感器004 各溫度點平均誤差 單位：hPa

表5 氣壓傳感器005 各溫度點平均誤差 單位：hPa

表6 氣壓傳感器006 各溫度點平均誤差 單位：hPa

從表中可以看出，編號001 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.23hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.06hPa；編號002 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.16hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.35hPa；編號003 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.02hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.07hPa。編號004 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.21hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.07hPa；編號005 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.17hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.34hPa；編號006 傳感器平均誤差在500hPa 低壓點全程最大相差0.04hPa，在1100hPa 高壓點全程最大相差0.07hPa。六臺氣壓傳感器在各溫度點和各氣壓點的誤差變化沒有明顯的規(guī)律，平均誤差改變的大小也不同。

編號001 傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.19hPa，在＋40℃點全程最大相差0.05hPa；編號002傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.19hPa，在＋40℃點全程最大相差0.04hPa；編號003 傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.04hPa，在＋40℃點全程最大相差0.04hPa；編號004 傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.22hPa，在＋40℃點全程最大相差0.02hPa；編號005 傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.21hPa，在＋40℃點全程最大相差0.02hPa；編號006 傳感器平均誤差在-10℃點全程最大相差0.05hPa，在＋40℃點全程最大相差0.03hPa。

為此，把各檢定點誤差畫成曲線圖進行比較。繪制的曲線圖如圖2 至圖7 所示。從圖中可以看出，傳感器001、002、004、005 在低溫時各檢定點的誤差差異明顯增大，至10℃時基本趨于一致。傳感器003、006 全程誤差曲線變化不明顯。

圖2 傳感器001 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

圖3 傳感器002 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

圖4 傳感器003 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

圖5 傳感器004 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

4 結(jié)語

氣壓傳感器因為安裝在氣象觀測場內(nèi)，周圍環(huán)境變化對傳感器均有一定的影響，實際工作中有必要考慮環(huán)境溫度變化對氣壓傳感器產(chǎn)生的誤差。通過本實驗分析，得到以下結(jié)論。

（1）氣壓傳感器均增加了溫度補償訂正的功能，溫度對傳感器的實際影響并不是很大（本次測量的最大值為0.23hPa），均能保證傳感器誤差在氣象規(guī)范的允許范圍之內(nèi)。

圖6 傳感器005 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

圖7 傳感器006 各檢定點誤差隨溫度變化曲線

（2）溫度對于各傳感器的影響并沒有規(guī)律，如果要通過計量檢定并加以修正，必須對每一臺氣壓傳感器進行高低溫實驗。

（3）一般來說，低溫對傳感器的影響更大，因此在低溫環(huán)境下檢測氣壓傳感器的性能具有一定的實際意義。