壓差及氣壓類傳感器試驗分析設備設計及應用

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）08-0115-04

【Abstract】Thisarticle focuses on the problem of diferential pressure sensor errorreports that occur during the implementationof theNational VIemisionregulations forcommercial vehicles，and introduces theprinciple，testaalysis methodsandaplicationsof diferential pressureandpneumaticsensor test analysisequipment.This devicecanfully cover the testing of two types of products：pneumaticsensors and diferential pressure sensors，and has avery wide range of applications.

【Key Words】 test equipment;differential pressure sensor;air pressure sensor

0 引言

1總體思想

隨著國家對商用車實施國V排放法規(guī)，商用車國VI系統(tǒng)在用戶使用過程中出現了一些問題反饋，其中對壓差傳感器報錯問題反饋比較集中，該問題會導致車輛限扭等故障，影響行駛。

由于壓差傳感器測量精度為 0.01kPa ，同時測量范圍為 0～100kPa ，對檢測設備要求很高，目前行業(yè)內缺乏相關設備對產品性能進行檢測判定，欠缺對壓差傳感器的檢測能力。主機廠無法確定供應商提供報告的準確性。

本文針對壓差及壓力傳感器檢測分析過程復雜的特點，設計并研發(fā)了具有自主知識產權的壓差、氣壓類傳感器試驗分析設備，能夠完全覆蓋氣壓類傳感器、壓差傳感器兩類產品的測試，應用非常廣泛。此試驗分析設備集成了針對單模/雙模壓差傳感器、所有氣壓報警開關及氣動駐車制動開關、氣壓傳感器的檢測功能，為業(yè)內首創(chuàng)，并且共同制定了檢測分析方法，通過量化分析確定故障模式，最終制定有效的改進方案，從而攻克了重難點問題，既提升了傳感器品質水平，也大幅降低了索賠成本。

1.1壓差傳感器試驗分析設備

為了使氣壓穩(wěn)定并保持在 0.01kPa 精度下，必須采用容積適當的儲氣筒和氣泵組合，實現氣壓穩(wěn)定并保持精度的目的，要求如下。

采用測量范圍 0～100kPa ，測量精度 0.01kPa 的高精度氣壓表作為外部顯示，同時采用高精度氣壓變送器進行試驗分析設備系統(tǒng)壓力信號采集。

采用兩個獨立的儲氣筒單元，通過控制進氣和排氣來使兩個儲氣筒產生壓力差，范圍在 -2～35kPa 內，保證符合檢測條件要求。

數據采集間隔為 100ms ，試驗分析設備系統(tǒng)傳感器信號和被測傳感器信號同時進行采集，經過模數轉換，與設定值進行比較，同時驗證其線性度和同步度，確定結果是否合格。

在滿足響應速度要求的前提下，采用某商用車企業(yè)現生產的儲氣筒、電磁閥、ABS電磁閥和管束總成，組成試驗分析設備系統(tǒng)，貼近實際工況。

采用上位機與可編程序控制器（ProgrammableLogicControllers，PLC）進行通信，由PLC采集試驗分析設備系統(tǒng)的氣壓信號，上位機通過控制電磁閥使試驗分析設備系統(tǒng)充放氣操作，并通過上位機編程，實現自動繪制輸出曲線。

1.2壓力傳感器試驗分析設備

氣壓測量范圍 0～1.5MPa ，氣壓測量精度 0.01MPa_? 門自動采集氣壓，并形成輸出曲線或開關量狀態(tài)變化。需要設計氣密保壓機構，同時根據產品不同裝配尺寸制作不同的連接底座。

2技術方案及論述

2.1 理論基礎

理論上根據氣罐放氣理論設計傳感器的測試方法2]。氣罐放氣過程示意圖如圖1所示。

圖1氣罐放氣過程示意圖

放氣時，壓力-時間特性曲線如圖2所示，分為聲速區(qū)及亞聲速區(qū)兩部分。

圖2壓力-時間特性曲線

聲速區(qū)加上亞聲速區(qū)的曲線符合壓力傳感器測試輸入特性曲線，亞聲速區(qū)的曲線符合壓差傳感器的測試輸入特性曲線。式（1）的前半部分為聲速區(qū)的計算公式，后半部分為亞聲速區(qū)時間計算公式。

式中： p₁ 初始絕對壓力， MPa ;p* 臨界壓力，一般取 0.192MPa （絕對壓力）； τ 時間常數。

式中：V- 一氣罐容積， L;A -有效截面積，

mm² K ——絕熱指數，K；T- 一絕對溫度，K。

2.2 壓差傳感器試驗設備原理

針對傳感器的工作特點，將壓差傳感器試驗分析設備整體構成分為氣路和電路兩部分。現根據壓差及氣壓傳感器檢測設備（圖3）的工作原理分別進行討論。

圖3壓差及氣壓傳感器檢測設備系統(tǒng)分析臺數模

2.2.1 氣路部分

如圖4所示，采用標準氣源 （0～1.5MPa） ，連接到實時檢測設備系統(tǒng)。通過電磁閥V-1和電磁閥V-2分別與儲氣筒1和儲氣筒2相連接，并控制進氣壓力和進氣量。I-4和I-5分別是安裝在2個儲氣筒上的高精度壓力傳感器 （0.01～100kPa） ，1-2和1-3分別為安裝在2個儲氣筒上的高精度儀表 （0.01～100kPa） 。電磁閥V-5和電磁閥V-6分別控制2個儲氣筒輸出（充氣）給被測壓差傳感器，產生不同壓力初始值。電磁閥V-7和電磁閥V-8分別控制2個儲氣筒壓力調節(jié)（放氣），使2個儲氣筒和被測壓差傳感器按照標準要求的模式，同步形成檢測需要的持續(xù)變化的壓差值，以達到設定的檢測條件。

圖4壓差傳感器試驗設備系統(tǒng)氣路圖

2.2.2 電路部分

如圖5所示，采集試驗分析設備系統(tǒng)傳感器信號（I-4和I-5），將電流值（模擬量信號）通過PLC采集模塊1（A/D轉換）轉換成數字信號。PLC與上位機進行通信，將數字信號發(fā)給上位機。與設定值比較，上位機輸出控制指令到PLC，PLC接收指令控制電磁閥吸合斷開，以控制雙儲氣筒進排氣，調節(jié)儲氣筒內壓力，使其達到所需要的壓差值并對該值進行采集，使試驗分析設備系統(tǒng)形成的壓力差符合檢測標準要求，具備檢測條件。

采集模塊2 電壓信號 被測壓差傳感（A/D轉換） 器（電壓信號）上位機 通信 PLC 控制 執(zhí)行部件（電磁閥）控制監(jiān)測系統(tǒng)傳感電流信號 采集模塊1器信號采集 （A/D轉換）

2.3壓差傳感器試驗分析方法

檢測時將被測傳感器接入試驗分析設備，系統(tǒng)按照上位機設定壓力值及算法，通過PLC分別控制2個儲氣筒進行充氣（電磁閥V-1和電磁閥V-2）。達到設定值具備檢測條件之后，上位機通過控制PLC給被測傳感器建立壓力（與試驗分析設備壓力值相同），同時PLC通過采集模塊2（A/D轉換）將被測傳感器輸出的電壓信號轉換成數字信號，通過通信上傳至上位機。

上位機通過算法控制試驗分析設備系統(tǒng)壓力值，使其輸出的電流值轉換成數據后線性輸出，同時，同步采集被測傳感器輸出的數據，形成兩條輸出曲線，并將該數據與試驗分析設備系統(tǒng)傳感器數據進行自動比對，實現實測值與設置的標準值和公差值進行對比并自動判斷結果（線性度、同步度等）。

實現了雙模測量功能，即在測量被測傳感器壓差的同時，能夠同步檢測其被測傳感器與外部大氣壓之間的壓力差，實現實測值與設置的標準值和公差值進行對比并自動判斷結果。

系統(tǒng)在定制的輸出報表里自動保存數據，并統(tǒng)計分析數據，自動形成檢測結果分布圖等，如圖6所示。

圖5壓差傳感器試驗分析設備電氣控制系統(tǒng)原理

圖6壓差傳感器檢測結果

2.4氣壓類傳感器試驗設備原理

采用車用高壓管路將高壓氣泵與儲氣筒連接，如圖7所示，PLC通過控制電磁閥V-1使儲氣筒3進氣，使其壓力值逐步到達設定值。控制電磁閥V-5使氣密保壓機構和被測氣壓類傳感器充氣，壓力值與儲氣筒3同步。

PLC控制電磁閥V-7使儲氣筒3按照設定放氣量放氣，同時壓力變送器I-4和被測氣壓類傳感器兩組采集信號同步傳輸給采集模塊（A/D轉換），并轉換成數字信號，進行對比并自動判斷結果（線性度、同步度等）。

采用高精度高壓氣壓測量儀表I-2，同時采用高精度設備傳感器作為試驗分析設備系統(tǒng)傳感器I-4，保證測量系統(tǒng)精度。

圖7氣壓類傳感器檢測設備系統(tǒng)氣路圖

根據產品不同裝配尺寸（螺紋規(guī)格等）制作不同的連接底座，組成氣密保壓機構，如圖8所示。

2.5氣壓類傳感器試驗分析方法

測試被測氣壓類傳感器時，采用試驗分析設備系統(tǒng)傳感器和被測氣壓類傳感器同步采集，轉換成數字信號，進行對比并自動判斷結果（線性度、同步度等），同時實現輸出曲線目視化。

測試被測氣壓類開關時，通過記錄氣壓變化造成開關狀態(tài)變化的瞬間氣壓值，并進行確認。

輸出報告格式同壓差傳感器報告格式基本一致，不再贅述。

3 試驗與分析

壓差傳感器試驗分析設備和氣壓類傳感器試驗分析設備共同組成試驗分析設備，如圖9所示。

圖8氣壓類傳感器氣密保壓機構

圖9壓差、氣壓傳感器試驗分析設備

通過高精度壓力傳感器實時記錄兩支儲氣筒輸出壓力值P1與P2，計算設備產生的壓差值，再根據壓差傳感器的理論輸出特性曲線，得到對應的理論電壓值，與系統(tǒng)測得的標準樣件實際輸出電壓值進行對比，作為本設備的準確度（表1）。

表1設備準確度

測量過程中采集的特征點為200個，保證了更細致的檢測過程和檢測精度。目前已完成300多件各類以上產品的測試，如圖10所示，所有檢測結果精準，設備可靠性好，成熟度非常高，極具推廣價值。

圖10壓差電壓輸出特征曲線

通過壓力、壓差傳感器試驗分析設備的索賠件分析，明確了主要問題（產品結構存在流量不足、產品一致性差等），準確定位了故障模式，采取了有效措施，大大降低了中期12個月故障率（12MonthsinService，

12MIS值）和索賠金額。

目前某車型裝配的壓差傳感器12MIS值大幅度下降，并有繼續(xù)下降的趨勢，如圖11所示。

圖11壓差傳感器索賠件12MIS趨勢圖

4結論

本設備由壓差傳感器試驗分析設備和氣壓類傳感器試驗分析設備共同組成。集成了針對單模/雙模壓差傳感器、所有氣壓報警開關及氣動駐車制動開關、氣壓傳感器的檢測功能，能夠完全覆蓋氣壓類傳感器、壓差傳感器兩類產品的測試，應用非常廣泛。應用范圍可進一步擴展，目前用于氣體介質：如氣壓報警開關、氣動駐車制動開關、氣壓傳感器的測試分析。后續(xù)可橫向擴展至油介質（如機油壓力傳感器）、水介質（如溫度壓力傳感器）及尿素（如尿素壓力傳感器）等介質，還可應用于更多的其他壓力類傳感器的測試過程中。

參考文獻

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[2]江晨，朱鯤捷，劉馳，等.壓力容器充放氣特性研究[J].液壓氣動與密封，2023，43（5）：60-62.

（編輯楊凱麟）