貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性研究

高炳濤 胡鳳巖 孫鳳舉 鐘 山 王慧龍 杜光宇

(1.北京航天計量測試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

1 引 言

貼片式壓力傳感器是采用薄膜/厚膜/半導(dǎo)體應(yīng)變電阻為制造工藝，將其制作在彈性元件上組成的壓力傳感器，其構(gòu)造圖如圖1所示，主要由應(yīng)變電阻、彈性元件、基座、外殼等組成。貼片式壓力傳感器粘貼在產(chǎn)品表面，實時監(jiān)測產(chǎn)品表面壓力的變化，主要用于飛行試驗、發(fā)動機試驗、風(fēng)洞試驗等試驗過程，在航空、航天、船舶、兵器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且應(yīng)用場合普遍處于高低溫環(huán)境下，由于貼片式壓力傳感器工作原理是基于壓阻效應(yīng)，彈性元件及應(yīng)變電阻受工作環(huán)境溫度的改變，相同壓力作用下其輸出會發(fā)生改變，因此需對貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性進行研究。

圖1 貼片式壓力傳感器構(gòu)造圖

2 校準方案及校準裝置

2.1 校準方案

貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準方案如圖2所示，全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔放置于高低溫試驗箱中以獲取所需的高低溫校準環(huán)境，貼片式壓力傳感器放置于全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔內(nèi)部，并在腔體上、下、前、后四個位置均勻布置4只溫度傳感器，待4只溫度傳感器達到預(yù)定校準溫度并穩(wěn)定后，以4只溫度傳感器的平均值作為實際校準溫度。利用標(biāo)準壓力源對全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔內(nèi)部施加標(biāo)準氣體壓力，對貼片式壓力傳感器輸出進行測量，以此完成對貼片式壓力傳感器在(-50～100)℃溫度范圍內(nèi)特定溫度點下溫度響應(yīng)特性的校準。

圖2 貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準示意圖

2.2 校準裝置

利用自研的一套貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準裝置對貼片式壓力傳感器在-50℃～100℃溫度范圍內(nèi)特定溫度點下溫度響應(yīng)特性進行研究，貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準裝置技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)測量范圍：絕壓(2～500)kPa；

(2)壓力測量不確定度：

U

=0.05%(

k

=2)；

(3)密封腔內(nèi)溫度范圍：(-50～100)℃；

(4)密封腔內(nèi)溫度均勻度：±1℃；

(5)密封腔內(nèi)溫度穩(wěn)定度：±0.5℃。

如圖3所示，貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準裝置包括標(biāo)準壓力源、高低溫試驗箱、溫度隔離壓力連接管路、全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔及被校準貼片式壓力傳感器共5部分。其中，標(biāo)準壓力源用于為貼片式壓力傳感器提供標(biāo)準壓力值；高低溫試驗箱用于提供高低溫校準環(huán)境；全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔內(nèi)部放置被校準貼片式壓力傳感器為其提供可靠的密封環(huán)境，并在密封腔上、下、前、后四個位置均勻布置4只溫度傳感器對其內(nèi)部環(huán)境溫度進行測量；溫度隔離壓力連接管路實現(xiàn)標(biāo)準壓力源與密封腔之間的溫度隔離，防止調(diào)壓過程中高低溫氣體回流對標(biāo)準壓力源輸出標(biāo)準值產(chǎn)生影響，下文對校準裝置各組成部分進行簡單介紹。

圖3 貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準裝置示意圖

2.2.1

標(biāo)準壓力源

標(biāo)準壓力源作為貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準裝置的壓力發(fā)生裝置，為貼片式壓力傳感器校準提供標(biāo)準壓力值，其主要包括標(biāo)準絕壓氣體壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)和控制機構(gòu)、管路系統(tǒng)以及顯示單元等幾個部分。其中，標(biāo)準絕壓氣體壓力傳感器采用美國Paroscientific公司6000系列石英晶體諧振式壓力傳感器，為系統(tǒng)提供標(biāo)準壓力值；壓力調(diào)節(jié)和控制機構(gòu)主要由調(diào)壓閥、保護閥、管路閥門、以及消聲器等組成，實現(xiàn)對(2～500)kPa.a絕壓壓力的調(diào)節(jié)和控制，如圖4所示。

圖4 標(biāo)準壓力源控制氣路組成圖

2.2.2

全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔

如圖5所示，為全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔尺寸直徑φ80mm，高度為110mm，采用紫銅材料加工而成，具有良好的熱傳導(dǎo)性能，確保腔體內(nèi)的溫度穩(wěn)定度和均勻性要求，該結(jié)構(gòu)包括接線電路組件、校準腔內(nèi)壓板、螺紋壓板、環(huán)形壓片、大環(huán)形密封圈、校準腔腔體和溫度傳感器共七部分，校準腔腔體對稱位置布置4個溫度傳感器，對貼片式壓力傳感器校準時的環(huán)境實際溫度進行測量。

圖5 貼片式壓力傳感器校準腔

2.2.3

溫度隔離壓力連接管路

溫度隔離壓力連接管路由壓力螺旋管路、溫度傳感器、恒溫槽組成。實現(xiàn)對標(biāo)準壓力源與全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準腔之間的溫度隔離，防止調(diào)壓過程中高低溫氣體回流對標(biāo)準壓力源輸出標(biāo)準值產(chǎn)生影響。壓力連接管路設(shè)計為螺旋式結(jié)構(gòu)，并將其放置于恒溫水浴中，通過增加表面接觸面積，實現(xiàn)管路熱傳導(dǎo)及壓力調(diào)節(jié)過程中高低溫氣體溫度影響的隔離。為了對恒溫水浴溫度進行合理設(shè)定并對溫度隔離效果測試，在進氣與回氣螺旋管路兩端分別布置溫度傳感器對管路中的氣體溫度進行測量與過程監(jiān)控監(jiān)控，如圖6所示。

圖6 溫度隔離壓力連接管路

3 溫度響應(yīng)特性分析

選取ENDEVCO公司的量程分別為350kPa.a貼片式壓力傳感器(編號：K80084#)分別在20℃、-50℃、50℃、100℃4個溫度校準點進行校準。依據(jù)《JJG860-2015壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》對貼片式壓力傳感器輸出進行計算分析，獲得該傳感器在不同校準溫度點下的靈敏度、非線性、遲滯、重復(fù)性等指標(biāo)，結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 不同校準溫度點下貼片式壓力傳感器指標(biāo)對比表

由表1可知，貼片式壓力傳感器在不同校準溫度點下，非線性、遲滯和重復(fù)性技術(shù)指標(biāo)受影響變化不大，而理論零點輸出及靈敏度均產(chǎn)生變化，理論零點輸出與溫度呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，線性度約為1%，靈敏度隨溫度變化未呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。為了進一步對貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性進行分析，定義熱零點偏差及熱靈敏度偏差參數(shù)。

(1)熱零點偏差

在-50℃～100℃溫度范圍內(nèi)某個校準溫度點，貼片式壓力傳感器輸出零點示值與常溫20℃±2℃下的輸出零點示值之差與常溫20℃±2℃下滿量程輸出值的比值，由于絕壓零點無法獲得，以絕壓2kPa作為貼片式壓力傳感器的近似零點。按公式(1)計算貼片式壓力傳感器熱零點偏差

α

。

(1)

(2)熱靈敏度偏差

在-50℃～100℃溫度范圍內(nèi)某個校準溫度點下與常溫20℃±2℃相比，貼片式壓力傳感器在各壓力校準點正行程輸出值之差與常溫20℃±2℃下滿量程輸出值的比值。分別按公式(2)、公式(3)計算貼片式壓力傳感器各壓力校準點的熱靈敏度偏移

β

和最大熱靈敏度偏差

β

。

(2)

β

=|

β

|

(3)

式中：

β

——貼片式壓力傳感器的最大熱靈敏度偏差，%FS。

依據(jù)公式(1)～(3)對貼片式壓力傳感器熱零點偏差及熱靈敏度偏差進行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同校準溫度點下貼片式壓力傳感器熱零點偏差及熱靈敏度偏差對比表

由上表2可知，貼片式壓力傳感器在不同校準溫度點，熱零點偏差及熱靈敏度偏差與溫度并未呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。

4 結(jié)束語

通過開展貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性研究，在不同校準溫度點，對貼片式壓力傳感器進行校準，并對校準數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，貼片式壓力傳感器非線性、遲滯和重復(fù)性技術(shù)指標(biāo)受溫度影響變化不大，然而，與常溫輸出相比，其工作直線的截距和斜率發(fā)生了變化，因此，根據(jù)貼片式壓力傳感器實際工作溫度進行校準是確保其輸出精度的有效方法。