壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)設計

謝知寒，王 勇，王 震

（1.國網浙江省電力有限公司雙創(chuàng)中心，浙江杭州 310051；2.國網浙江省電力有限公司舟山供電公司，浙江舟山 316021）

測壓傳感器是一種全面型的壓力信號輸出器件，能夠在準確感知壓量值水平的同時，分析壓量信息的實時轉化能力。在實際應用過程中，測壓傳感器通常由信號處理單元、壓力敏感元件兩部分共同組成。其中，信號處理單元負責感知壓力信號所處作用位置，并可將高等級的壓力信號參量轉換成低等級的信號輸出狀態(tài)[1]；壓力敏感元件是阻值水平較高的物理電阻，能夠負擔較高的壓強作用力，并可在確保不發(fā)生擊穿作用的前提下，將這些輸入信號反饋至既定硬件設備結構體中[2]。

壓敏熒光涂層能夠根據作用壓力的不同，表現出不同的形變狀態(tài)，由于所采用涂料始終保持熒光狀態(tài)，所以其形變趨勢表現得極為明顯。在電網環(huán)境中，壓敏熒光涂層過厚，會導致電量信號輸出行為受到影響，并最終使傳感器元件的靈敏測壓能力不斷下降[3]。傳統(tǒng)MEMS 傳感器測量系統(tǒng)主要通過分離壓力信號的方式，確定傳輸電壓的實際數值水平，再根據電流表的具體示數水平，確定當前狀態(tài)下壓敏熒光涂層的厚度水平[4]。而由于電量誤差的存在，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)并不能完全保障傳感器元件的靈敏測壓能力，使壓敏熒光涂層厚度水平始終難以保持在理想數值區(qū)間內。為解決上述問題，設計新型壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設計方案

系數標定系統(tǒng)的硬件執(zhí)行結構由電阻平衡電路、傳感器主體、測壓標定裝置三部分共同組成，具體設計方法如下。

1.1 電阻平衡電路

電阻平衡電路作為壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)中唯一的電量供應裝置，由多個電阻元件和一個Ui電量輸出端口共同組成[5]。具體電路連接結構如圖1 所示。

圖1 電阻平衡電路的結構示意圖

由圖1 可知，Ui電量輸出端口與電網高壓輸入端相連，能夠將交變電量信號轉換成直流傳輸形式，以供其他連接電阻的直接利用。R2-R8為7 個阻值完全相等的連接電阻，負責記錄外界負載壓力的數值水平，并可以借助R5電阻元件，將壓力信號反饋至既定的測壓傳感器設備中[6]。電阻R1的阻值水平與R5相等，負責感知壓力信號的傳輸行為，并可以疏導Ui電量端口中暫存的信息參量。

1.2 傳感器主體

測壓傳感器負責感知壓敏熒光涂層的厚度水平，以感受器裝置作為核心應用結構。在實際應用過程中，選擇YZC-526 型號的壓力信號傳感器對接線端口進行控制。一般來說，位于上部的接線端口負責協(xié)調電阻平衡電路與測壓標定裝置之間的連接關系，可穩(wěn)定壓力作用水平，確定壓敏熒光涂層的消耗情況[7-8]；位于下部的接線端口則負責調控測壓標定裝置的接入行為，可聯合導線結構對壓力信號進行穩(wěn)定傳輸，使標定主機能夠掌握測壓傳感器靈敏系數的偏轉情況。

1.3 測壓標定裝置

測壓標定裝置負責感受傳感器指針的偏轉程度，并可以經由節(jié)流閥設備，將壓力信號以波動行為的方式，反饋至核心測壓裝置中，且由于下部壓力溢流閥結構的存在，壓力缸所承載的力學作用強度始終不會發(fā)生明顯變化，這也是傳感器元件的靈敏測壓能力可以得到有效保障的主要原因[9]。圖2 展示了測壓標定裝置的完整連接原理。

圖2 測壓標定裝置的連接原理

根據圖2 可知，為使壓力表示數不出現過度偏轉的情況，節(jié)流閥必須保持間斷性連接的運行狀態(tài)。當壓力缸外界負載力學作用明顯增大時，節(jié)流閥作用強度會隨之增強，從而迫使壓力信號向外轉移，使得壓力表示數呈現穩(wěn)定狀態(tài)[10]；當壓力缸外界負載力學作用明顯減小時，節(jié)流閥作用強度會隨之減弱，避免壓力信號出現外泄行為，從而保持壓力表示數的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設計

在各級硬件設備結構的支持下，按照確定壓敏熒光涂層厚度、分析傳感器靈敏度、計算壓力測量值的處理流程，實現應用系統(tǒng)的軟件執(zhí)行環(huán)境搭建，與硬件環(huán)境結合，完成壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)設計。

2.1 壓敏熒光涂層厚度確定

壓敏熒光涂層的表面厚度決定了測壓傳感器的靈敏度水平，若涂層過薄，壓力信號在單位標定時間內會出現快速傳輸狀態(tài)，此時測壓傳感器難以對壓力信號進行準確捕捉，易導致傳感器元件的測量靈敏度水平下降；若涂層過厚，壓力信號的傳輸行為則會受到較強干擾，測壓傳感器元件在單位時間內所能提取到的信號量太少，也會導致其測量靈敏度水平下降[11-12]。綜上所述，只有在壓敏熒光涂層保持較為適宜厚度水平的情況下，才能使得測壓傳感器具備較高的測量靈敏度。設p1、p2表示兩個不同的壓力信號標度值，φ表示標準測壓系數，表示壓力信號的傳輸特征值，ξ表示傳輸行為向量。可將壓敏熒光涂層厚度的計算表達式定義為：

對于測壓傳感器元件而言，壓敏熒光涂層厚度值是保證靈敏系數指標能夠得到準確標定的關鍵物理條件。

2.2 傳感器靈敏度分析

在已知壓敏熒光涂層厚度水平的基礎上，對傳感器靈敏度指標進行準確設定，不但能夠將實時測壓系數控制在既定數值區(qū)間內，也可以適當縮減標定系統(tǒng)的任務實踐量，從而使傳感器元件的穩(wěn)定測壓能力得到充分激發(fā)[13-14]。在不考慮其他干擾條件的情況下，傳感器靈敏度指標數值受到測壓感應系數、單位壓強變化量兩項物理系數的直接影響。測壓感應系數可表示β，一般來說，該項物理系數項的取值結果越大，傳感器元件的實時靈敏度水平也就越高。單位壓強變化量可表示為ΔD，作為一項物理標量指標，該系數不具備明顯的方向性。在上述物理量的支持下，設α、ε表示兩個不同的壓敏識別條件，可將傳感器靈敏度分析表達式定義為：

式中，sα表示α識別條件下的傳感器測壓指標，sε表示ε識別條件下的傳感器測壓指標，Tα、Tε表示兩個不同的標定指令執(zhí)行時長。在標定系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境中，傳感器靈敏度分析條件能夠影響壓敏熒光涂層測壓指標的數值表現情況。

2.3 壓力測量值計算

壓力測量值描述了壓敏熒光涂層測壓傳感器當前所承受的負載力數值，通常情況下，該項物理系數的取值結果越大，待標定靈敏系數的偏轉情況也就越明顯[15-16]。規(guī)定c表示標定系數的最小靈敏性度量條件，xc表示c條件下的靈敏系數鎖定標度值，x0表示靈敏系數鎖定標度值的初始取值結果，xmax表示靈敏系數鎖定標度值的最大取值結果，表示x指標的均值結果。可將壓力測量值計算式定義為：

在確保不出現其他干擾條件的情況下，根據上述系數指標，對相關硬件設備結構進行調試，從而實現對傳感器靈敏系數的規(guī)劃與處理，完成壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)的設計。

3 實例分析

選取如圖3 所示傳感器裝置作為實驗對象，將底層接觸裝置放置在壓敏熒光涂層表面，通過調節(jié)旋鈕，更改測壓裝置的連接狀態(tài)，再借助導線將整個傳感器與核心顯示主機相連，直至其中所顯示的測壓值示數逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 壓敏熒光涂層測壓傳感器

在實驗過程中，首先，采用傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)對壓敏熒光涂層測壓傳感器進行控制，將所獲實驗數值記為實驗組變量指標；然后，采用MEMS 測量系統(tǒng)對壓敏熒光涂層測壓傳感器進行控制，將所獲實驗數值記為對照組變量指標；最后，對比實驗組、對照組變量數值。

隨著施加壓力數值的改變，壓敏熒光涂層的厚度變化情況能夠反映出傳感器元件的靈敏測壓能力。一般來說，若壓敏熒光涂層的厚度水平始終處于理想數值區(qū)間內，則表示傳感器元件具有較強的靈敏測壓能力；若壓敏熒光涂層的厚度水平過大或過小，則表示傳感器元件的靈敏測壓能力較弱。

圖4 反映了壓敏熒光涂層厚度的理想數值變化范圍。

圖4 壓敏熒光涂層厚度的理想變化范圍

分析圖4 可知，壓敏熒光涂層厚度的理想最大值始終保持不斷下降的變化趨勢，其初始值22.1 cm與終止值16.0 cm 相比，下降了6.1 cm；壓敏熒光涂層厚度的理想最小值則呈現出先下降、再穩(wěn)定的變化趨勢，其初始值14.9 cm 與終止值9.4 cm 相比，下降了5.5 cm。

表1 記錄了實驗組、對照組壓敏熒光涂層厚度的實際數值變化情況。

表1 壓敏熒光涂層厚度的實驗數值

分析表1 可知，在整個實驗過程中，實驗組壓敏熒光涂層的厚度水平始終處于理想數值區(qū)間之內，其最大值21.8 cm 與理想最大值22.1 cm 相比，下降了0.3 cm；其最小值12.1 cm 與理想最小值9.4 cm 相比，上升了2.7 cm。對照組壓敏熒光涂層厚度雖然也始終保持不斷下降的數值變化狀態(tài)，但當壓力施加量等于0、10、20、30 N 時，壓敏熒光涂層厚度水平均大于理想極大值；當壓力施加量等于70、80 N 時，壓敏熒光涂層厚度水平均小于理想極小值；當壓力施加量等于40、50、60 N 時，壓敏熒光涂層厚度水平才能保持在理想數值區(qū)間內。

綜上可知，在靈敏系數標定系統(tǒng)的作用下，壓敏熒光涂層厚度水平始終能夠保持在理想數值區(qū)間內，即傳感器元件的靈敏測壓能力始終能夠得到較好保障；在MEMS 測量系統(tǒng)的作用下，壓敏熒光涂層厚度水平僅在特定情況下能夠保持在理想數值區(qū)間之內，即該類型系統(tǒng)對于傳感器元件靈敏測壓能力的促進作用強度相對較弱。

4 結束語

與傳統(tǒng)MEMS 測量系統(tǒng)相比，新型壓敏熒光涂層測壓傳感器靈敏系數標定系統(tǒng)在電阻平衡電路的作用下，借助傳感器應用設備，調試測壓標定裝置的實際連接狀態(tài)，再通過靈敏性分析的方式，得到準確的壓力測量值結果。從實用性角度來看，在這種新型應用系統(tǒng)的作用下，壓敏熒光涂層的標定厚度始終能夠保持在合理數值區(qū)間內，對于激發(fā)傳感器元件的靈敏測壓能力，確實能夠起到較強的促進性作用。