淺談靜態壓力傳感器的計量檢定

馮齊斌，姜毅韡，周宇仁

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

壓力傳感器（靜態）檢定規程JJG860-2015對量程為-0.1MPa～500MPa的絕壓、表壓和差壓傳感器檢定做了明確的說明。靜態壓力的定義不同于動態壓力，其不隨著時間變化而緩慢的變化，由壓力敏感元件和信號處理單元組成，能感受壓力值并將其按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出電信號，壓力輸入至壓力敏感元件和信號處理單元產生輸出信號值。對壓力傳感器（靜態）的檢定技術指標主要包括：準確度、重復性、遲滯、線性度、零點漂移、周期穩定性、靜壓影響和曲線符合度這些項的技術指標[1]。

1 檢定前準備

為保證送檢壓力傳感器的計量準確，需要將送檢設備在檢定環境下放置2h以上，方可進行檢定。對于采用液體介質（如油）的壓力標準器，安裝時盡量排除管路中的殘留空氣。同時，應注意應盡量使被檢壓力傳感器的感壓面與壓力標準器的參考面在一個水平面上，以盡可能地減少高度差引起的計量誤差。具體高度差的修正方法為：檢定時，如若不能將壓力標準器和壓力傳感器放置在同一高度水平面上，高度差高于限值，則需要加上因高度差引起的壓力修正值[2]。

h——參考位置的高度差值，單位：m。

a——傳感器的準確度等級指標，單位：%。

PFS——被檢傳感器的輸入量程，單位：Pa。

ρ——檢定用介質的密度值，單位：kg/m3。

g——檢定地點的重力加速度，單位：m/s2。

ΔP——因高度差引起的壓力修正值，單位：Pa。

檢定系統完好的安裝以后，上電預熱30min，對送檢靜態壓力傳感器做檢定前的預壓，正表壓傳感器預壓壓力為測量范圍上限值，負表壓傳感器預壓壓力為測量范圍下限值，差壓傳感器為額定工作壓力值、絕壓傳感器預壓壓力為測量范圍的上限和下限值[3]。

2 檢定計算

2.1 零點漂移

在規定的環境條件下，傳感器通電預熱和預壓操作后，記錄壓力傳感器的零點初始值，然后每間隔15min記錄一次送檢壓力傳感器的輸出值，從記錄開始連續進行的時間不低于1h，然后按照規程中的計算公式對零點漂移值進行計算，判斷其值是否符合檢定要求。

|yi-y0|max是所記錄的各個零點輸出值與初始零點輸出值之差的絕對值的最大值。

yFS是滿量程輸出值。

2.2 工作曲線計算

2.2.1 校準曲線

壓力傳感器在整個測量范圍內有m個檢定點，并進行n次循環檢定。壓力檢定的正行程和反行程往返一次為一個循環，壓力傳感器至少要進行3個循環的檢定。各個檢定點的正反行程輸出值的算數平均值所連接的曲線分別稱為正行程校準曲線和反行程校準曲線[4]。

2.2.2 工作直線

JJG860-2015壓力傳感器（靜態）檢定規程規定：可以采用端點平移直線和最小二乘法直線作為壓力傳感器的工作直線。端點平移直線計算的連接方程公式為[5,6]：

pm——實際檢定上限點的壓力值。

p1——實際檢定下限點的壓力值。

ym——實際檢定上限點輸出值的平均值。

y1——實際檢定下限點輸出值的平均值。

p——壓力傳感器在其測量范圍內的壓力值。

壓力傳感器工作直線采用最小二乘法直線的方程，系數a和系數b是將m個檢定點，n次循環檢定的數據進行二元一次的數據擬合得到的，然后將按下述公式計算：

2.3 傳感器技術指標計算

2.3.1 靈敏度

壓力傳感器的靈敏度為傳感器工作直線的斜率，工作直線包括端點平移直線和最小二乘法直線斜率值[7-9]。

2.3.2 滿量程輸出值

壓力傳感器的量程輸出值，按公式計算：

pmax為靜態壓力傳感器測量范圍上限壓力值；pmin為靜態壓力傳感器測量范圍下限壓力值。

2.3.3 重復性

壓力傳感器的正行程s正i和反行程s反i的數據標準偏差計算公式如下所示，而在傳感器在整個測量范圍內的標準偏差s計算出來之后，需除以上述得到的傳感器滿量程輸出值yFS并乘以3，得到的數值為其隨機誤差的極限值，作為靜態壓力傳感器的重復性ξR。

2.3.4 遲滯

在計算靜態壓力傳感器的檢定點中，同一個檢定點正行程輸出值的算術平均值與反行程輸出值的算術平均值之差，作為此檢定點的遲滯值，并將各個檢定點所計算得到的遲滯值取最大值作為靜態壓力傳感器的遲滯值[10]。

2.3.5 線性度

計算各個檢定點輸出值的算數平均值與所選定工作直線的差值取最大，再除以傳感器滿量程輸出值yFS作為壓力傳感器的線性度值。

3 檢定實例

對一個靜態壓力傳感器進行計量檢定，首先對壓力傳感器進行通用技術要求檢查，包括外觀、密封性和絕緣電阻測量，檢定前將壓力傳感器在檢定環境下放置2h以上，再進行后續檢定操作，將送檢傳感器連接穩壓直流電源DC24V，預熱通電30min，且施加預壓壓力60MPa，穩定1min以后緩慢連通大氣，此預加壓過程循環操作3次。計量檢定的環境溫度一般為15℃～35℃，相對濕度為45%～75%，在被檢傳感器不施加激勵電源的情況下，使用絕緣電阻表，將靜態壓力傳感器的電源端子和輸出端子分別短接，用絕緣電阻表分別測量電源端子與傳感器的接地端子外殼、電源接線端子與輸出端子、輸出端子與接地端子外殼之間的絕緣電阻，需要注意的是：測量時應待儀表穩定10s之后再進行讀數。應用一臺量程為（1～60）MPa，準確度等級為0.01的活塞壓力及作為測量標準器，對零點漂移測量0min、15min、30min、45min和60min的傳感器輸出值分別為5.1057mV、5.1058mV、5.1058mV、5.1057mV、5.1058mV計算的零點漂移測量值為0.002%。壓力傳感器的量程為（0～60）MPa，所選擇的檢定壓力點分別為 0MPa、6MPa、12MPa、18MPa、24MPa、30MPa、36MPa、42MPa、48MPa和60MPa，并進行3次循環測量（正行程+負行程），以第1次循環測量為例，正行程測量 值 為 5.1057mV、15.0078mV、24.9093mV、34.8116mV、44.7135mV、54.6154mV、64.5172mV、74.4205mV、84.3222mV、104.1247mV；負行程測量值為5.1057mV、15.0079mV、24.9094mV、34.8117mV、44.7136mV、54.6155mV、64.5173mV、74.4205mV、84.3225mV、104.1250mV。第2次和第3次的循環測量值類似，擬采用端點平移直線作為工作直線方程，得到被檢靜態壓力傳感器的靈敏度為1.65，重復性0.02%，遲滯0.02%，線性（曲線符合度）0.02%，基本誤差0.021%，檢定結論是符合0.1級。

表1 壓力傳感器檢定記錄Table 1 Pressure sensor verification record

4 結論

本文闡述了依照JJG860-2015《壓力傳感器（靜態）檢定規程》實現靜態壓力傳感器的檢定過程，介紹了傳感器檢定的前期準備和對實測檢定數據的計算過程。檢定準備過程中需要做預加壓并記錄傳感器的零點漂移、正反行程的校準曲線和工作直線，進而得到傳感器的靈敏度、重復性、遲滯和線性度。經過對一個靜態壓力傳感器的實測，依照JJG860-2015檢定規程的計算流程可以準確地實現靜態壓力傳感器的計量檢定，達到了預期的檢定效果。