高溫壓力傳感器標(biāo)定的實驗研究

譚苗苗

（北京聯(lián)合大學(xué)機電學(xué)院，北京100020）

0 引言

靜態(tài)和動態(tài)特性是評價傳感器優(yōu)劣的依據(jù)，包括靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等靜態(tài)指標(biāo)，以及傳感器的頻率響應(yīng)函數(shù)等。高溫壓力傳感器工作在極端惡劣環(huán)境下[1-3]，其各項性能的標(biāo)定對于測試可行性及準(zhǔn)確性具有重要的實際意義。傳感器標(biāo)定實驗通常以高精度傳感器為參考，制定各項指標(biāo)的測試方案，實施測試實驗獲得大量實驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析最終獲得性能指標(biāo)參數(shù)和曲線[4-8]。目前對于常溫壓力傳感器的標(biāo)定方法和實驗研究比較成熟，將被標(biāo)定傳感器置于穩(wěn)定的可變氣體壓力空間內(nèi)，分析壓力輸入與傳感器輸出信號之間關(guān)系，而高溫壓力傳感器標(biāo)定實驗研究還不完善[9-13]。

本文采用已設(shè)計研制的高溫壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，對傳感器的靜態(tài)性能的多項指標(biāo)進行了試驗方案設(shè)計和實驗研究，分析被標(biāo)定傳感器的性能優(yōu)劣。

1 標(biāo)定實驗系統(tǒng)

所采用的標(biāo)定系統(tǒng)由電動立式機臺、溫度控制系統(tǒng)和壓力控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。將壓力傳感器和溫度傳感器分別用螺紋固定連接氣缸的2個輸出口。開啟溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定溫度值，加熱帶工作。達到溫度設(shè)定值后，開啟壓力控制系統(tǒng)，測定高溫氣體的初始壓力。通過調(diào)節(jié)氣缸活塞桿的高度改變氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)的壓力，并同時采集壓力傳感器的數(shù)值[14]。

實驗中所標(biāo)定的高溫壓力傳感器為藍寶石襯底的金屬薄膜壓阻式壓力傳感器[15]。其工作原理為：當(dāng)被測壓力施加在圓形敏感元件上，金屬薄膜由于幾何尺寸的變形造成薄膜電阻的變化，該電阻變化通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電流輸出。所標(biāo)定傳感器的輸出電流范圍為4～20 mA。

圖1 高溫壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)

2 實驗內(nèi)容及方案

2.1 壓力傳感器的靈敏度測定

靈敏度是傳感器靜態(tài)性能的重要指標(biāo)。為了提高靈敏度測量精度，對同一溫度被測氣體進行3次壓力值重復(fù)測量，將3次測量值取平均值作為傳感器某個被測壓力值下的輸出值。

設(shè)定溫度為常溫，由電動立式機臺控制推拉力計的頂桿緩緩下降，壓縮氣缸內(nèi)的空氣，從而逐漸改變氣缸內(nèi)的氣體壓力。氣體壓力的標(biāo)準(zhǔn)值由推拉力計測得。標(biāo)定系統(tǒng)中推拉力計獲得的測量值單位為N，根據(jù)采用的氣缸內(nèi)徑尺寸，可計算得到以Pa為單位的氣體壓力值。高溫壓力傳感器的輸出電流值通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸給上位機。采用LabVIEW軟件編輯上位監(jiān)測界面，將輸出電流曲線的變化趨勢及實時測量值進行顯示和保存，如圖2所示。

圖2 高溫壓力傳感器輸出電流采集界面

提取高溫壓力傳感器的電流輸出值和標(biāo)準(zhǔn)壓力值，獲得電流-壓力的標(biāo)定曲線。采用最小二乘法直線進行擬合，計算壓力傳感器的靈敏度。

2.2 溫度對壓力傳感器靈敏度的影響

高溫壓力傳感器可應(yīng)用于高溫被測介質(zhì)的壓力測量，并具有高溫下不被破壞、性能穩(wěn)定等特點。因此傳感器在測量高溫介質(zhì)時的靈敏度測試具有重要的實驗價值。

如圖1所示的標(biāo)定系統(tǒng)，首先開啟溫度控制系統(tǒng)，設(shè)定溫控器溫度為90℃。此時氣缸外壁上的加熱帶工作，系統(tǒng)中的溫度傳感器實時測量氣缸內(nèi)氣體介質(zhì)的溫度，當(dāng)溫度超過90℃時，溫控器輸出開關(guān)信號給繼電器，加熱帶停止工作。該溫控系統(tǒng)具有反饋調(diào)節(jié)功能，始終保持被測氣體為90℃。然后開啟電動立式機臺，重復(fù)傳感器靈敏度測試實驗，獲得90℃氣體時的傳感器靈敏度值。最后將該靈敏度與室溫下的傳感器靈敏度比較，分析溫度對傳感器靈敏度的影響。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 室溫下傳感器的靈敏度

重復(fù)3次測量過程中，傳感器電流輸出值的分散性小，將3次測量的輸出電流平均值列入實驗數(shù)據(jù)表格，獲得室溫下傳感器靈敏度的測試實驗數(shù)據(jù)如表1所示。被測氣體的壓力從0.3 kPa逐漸增加至1.2 kPa時，壓力傳感器的輸出電流值從4.2 mA增加至5.54 mA。由表1中的實驗數(shù)據(jù)可知，該傳感器的輸出電流隨著被測壓力值的增加而增大，且所測最大壓力為1.2 kPa。

表1 壓力傳感器輸出電流與壓力測量值

圖3 室溫時的傳感器測試實驗曲線

以氣體壓力值為橫坐標(biāo)，傳感器輸出電流為縱坐標(biāo)，將測試的實驗數(shù)據(jù)標(biāo)定曲線繪制如圖3中曲線所示。采用最小二乘法進行線性擬合，獲得擬合直線如圖3中直線所示，并獲得擬合直線的數(shù)學(xué)表達式。由圖3曲線可知，在被測壓力為0.3～1.2 kPa的范圍時該傳感器具有良好的線性，且傳感器靈敏度為1.52 mA/kPa。

3.2 溫度90℃時傳感器的靈敏度

當(dāng)被測氣體溫度為90℃時，未施加氣缸推桿壓力，氣缸內(nèi)被測氣體的初始壓力為0.18 kPa，此時壓力傳感器的輸出電流為4.1 mA。對氣缸推桿逐漸施加壓力，氣缸內(nèi)被測氣體的壓力由0.18 kPa逐漸增加至0.6 kPa，壓力傳感器的輸出電流值從4.1 mA增加至4.75 mA。傳感器靈敏度的測試實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

將測試的實驗數(shù)據(jù)標(biāo)定曲線繪制如圖4中曲線所示，采用最小二乘法進行線性擬合，獲得擬合直線如圖4中直線所示。根據(jù)擬合直線的數(shù)學(xué)表達式可知，該傳感器的靈敏度為1.51 mA/kPa。

表2 壓力傳感器輸出電流與壓力測量值

比較室溫和90℃兩種溫度狀態(tài)下的氣體壓力測量，所標(biāo)定傳感器的靈敏度分別為1.52 mA/kPa和1.51 mA/kPa，兩者差別不大。在被測氣體壓力小于90℃時，該壓力傳感器的靈敏度性能指標(biāo)受溫度影響不大。

圖4 溫度90℃時傳感器測試實驗曲線

4 結(jié)論

采用所搭建的標(biāo)定系統(tǒng)對高溫壓力傳感器進行了靈敏度測試實驗。實驗中分別以室溫氣體和90℃氣體為被測介質(zhì)，以壓力傳感器的檢測輸出電流和高精度推拉力計的壓力值為橫縱坐標(biāo)，獲得實驗標(biāo)定曲線，通過對實驗數(shù)據(jù)的線性擬合直線分析傳感器的靈敏度值。實驗結(jié)果表明，壓力傳感器對于室溫和90℃氣體的壓力測量靈敏度差別不大，約為1.5 mA/kPa。因此，對小于90℃溫度的氣體測量時，該壓力傳感器的靈敏度指標(biāo)受溫度影響不大。