一種自動化壓力傳感器標定系統設計

摘 要：壓力傳感器實際運用前為了保證使用精度需對傳感器進行校驗標定，傳統標定設備體型大、結構復雜、操作繁瑣，不適合工程試驗現場使用，本文介紹的是一種由基準壓力校驗控制模塊，待測壓力傳感器數字采集模塊和PC自動化處理模塊組成的自動化壓力傳感器標定系統，本設計有模塊化設計、自動化程度高、標定結果精確度高等優點，可廣泛運用在計量標準檢測單位、物理工程試驗室、航空航天等領域。

【關鍵詞】壓力傳感器 傳感器標定 數據處理 軟件設計

壓力測量在工業、科技、軍事、航空航天等各種行業中運用廣泛，對于0～1MPa的低壓測量來說，主要運用在各行業專業實驗室，壓力測量精度要求很高，對于相應的壓力傳感器性能提出了很高的要求。

壓力傳感器由于制作材料、工藝等因素會引入一些誤差，導致其實際靜態參數與理論參數有一定的偏差，所以必須在傳感器使用前進行標定校驗；另外即使標定過的傳感器在使用或放置過一段時間后，由于自身及環境變化的影響，也會發生溫漂、零漂，靈敏度、遲滯等靜態參數也會發生變化，同樣需要定期對傳感器進行性能參數校準。

現階段一般壓力傳感器都是在相關質檢部門專用設備上進行標定，自動化程度較低，消耗時間長，標定完傳感器在運輸、安裝過程中也會引入新的誤差，而在實際情況中，工程測試人員在現場完成傳感器標定操作更為合適，因為傳感器使用所處環境、溫度都與測量時一致，且省去了送檢的麻煩和來回前后的不確定性，可以極大提高了工作效率。

綜上所述，為壓力傳感器檢測提供一種自動化現場標定解決方案是非常有必要的。本文介紹的標定系統設計從兩個方面滿足了其自動化的性能要求：

（1）采用具備自動切換不同量程的標定系統模塊作為基準來標定待檢傳感器，滿足不同量程壓力傳感器的高精度標定要求；

（2）通過連接PC控制整個標定過程，并在標定結束后自動輸出壓力傳感器標定報告，包括靈敏度、遲滯、重復性等靜態參數和最小二乘法等線性公式。

1 系統構成及工作原理

本壓力標定系統主要由基準壓力采集模塊、待測壓力采集模塊、控制數據處理電腦、自帶泵調節閥、壓力氣源（氣罐）構成。

系統主要技術指標如下：量程：0～1MPa；總體不確定度 ≤0.2%FS；非線性：≤0.2%FS；重復性：≤0.2%。

系統工作時通過PC端軟件預先設置好標定參數，包括標定壓力具體數值，循環次數，濕度，溫度等，系統開始工作后自帶泵調節閥調節壓力氣源同時給待測壓力傳感器和基準壓力傳感器提供給定輸出值的氣壓，兩套采集模塊分別采集數據發送到PC端并記錄、儲存，然后依次循環完成預先設置好的標定壓力值后，調節閥門關閉，系統停止運行，最后通過軟件處理數據并自動輸出標定報告。

1.1 調節閥

自帶泵調節閥配有內置泵用以產生和調節壓力外接壓力源及真空泵可以提高控制速度。

這種調節閥用于產生及控制極其精確的微壓，或者在沒有外接氣源的情況下使用。所有SVR調節閥需要使用外部氣源，這個氣源應該是最大量程的110%。

1.2 基準壓力采集模塊

本模塊配備帶有壓力調節器的獨立控制通道，分別配置兩個量程的基準壓力傳感器，第一個量程比為待測傳感器的全測量范圍，第二個量程比的測量范圍不能小于全測量范圍的 50%，通過內置單片機自動切換基準傳感器進行壓力測量，達到提高測量精度的目的。本模塊所選用基準壓力傳感器出廠時都配有可溯源至NIST的校準證書，而且具有A2LA的校準證書認證，完全可以作為基準傳感器對待測傳感器進行標定。

本模塊自帶信號調理及A/D轉換電路模塊，采集到的壓力模擬信號通過信號調理電路進行電橋平衡及信號放大處理，放大后的信號輸入到A/D轉換電路，由A/D轉換芯片自帶的濾波功能進行濾波，并將模擬信號轉換成數字信號通過RS232接口傳輸到電腦中進行后續處理。

1.3 待測壓力采集模塊

本模塊由直流穩壓電源與模擬量輸入數顯采集器組成。供電電源的穩定性和可靠性直接決定了整個采集處理系統的精度，電源如果出現抖動，會引起采集系統AD輸出誤差，直接影響傳感器標定的準確度，所以要選用低噪聲、線性度且工作穩定的電源。

待測傳感器在受到氣源供給氣體壓力后，輸出模擬電壓信號，等待數據穩定后，由某型數顯采集器記錄數據、存儲并通過串行接口與PC連接。

1.4 PC控制處理軟件設計

PC控制端軟件設計主要由硬件控制和數據處理輸出設計兩部分構成。硬件主要負責自帶泵調節閥的標準壓力控制和兩個采集模塊的數據通信控制；數據處理輸出部分負責在接收到標定壓力數據后，完成數據計算并輸出標定結果。硬件控制采用C語言進行開發，可以與數據處理部分采用的LabVIEW系統開發軟件很好的兼容。

2 系統應用及驗證

運用本系統對一個國外1.5bar壓力傳感器進行標定驗證，以確定系統是否滿足設計要求，標定結果如下：

重復性誤差：0.048%：回程誤差：0.029%

線性誤差：0.05%：基本誤差：0.375%

與壓力傳感器出廠時所帶技術指標證書相比，線性度、重復度等參數平均偏差率在0.1%以內，證明本系統可以準確、可靠的完成壓力傳感器標定任務，符合系統設計要求。

參考文獻

[1]楊天明，郭明智，游紅偉.壓力傳感器在稱重過程中的應用[J].河南科技學院學報，2005.33[4]：72-75.

[2] mensor. CPC6000 Manual，2014.

作者單位

中國特種飛行器研究所 湖北省荊門市 448035