賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,王飛飛,武周軍

(中南鉆石有限公司,河南南陽473200)

環(huán)境溫度對壓力傳感器零點漂移影響研究①

賈攀,劉乾坤,張鳳蓮,王飛飛,武周軍

(中南鉆石有限公司,河南南陽473200)

在金剛石的合成過程中借助工控機控制各種合成參數(shù),而各種參數(shù)的采集是通過傳感器來完成的。其中壓力傳感器易受溫度變化影響而增加測量的誤差。為了研究環(huán)境溫度對壓力參數(shù)的影響,我們對壓力傳感器進(jìn)行持續(xù)的加熱和冷卻來測定實際壓力和設(shè)定壓力的差值變化趨勢。通過反復(fù)的研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度升高時,合成的金剛石產(chǎn)量降低且顯示壓力值高于實際壓力值。相反,金剛石產(chǎn)量提高,實際值高于顯示值。

金剛石壓機;環(huán)境溫度;壓力傳感器;零點漂移;設(shè)定壓力

1 緒論

在人造金剛石行業(yè)中,需要高溫高壓的外部環(huán)境才能促使石墨轉(zhuǎn)換成金剛石,而溫度和壓力等各種合成參數(shù)的控制是通過工業(yè)計算機來完成的。通常情況下,壓力參數(shù)的設(shè)置是比較重要的,但壓力的顯示是通過傳感器來完成的。所以這就要求傳感器精度要高且外界環(huán)境盡可能保持不變才能滿足條件。壓力傳感器作為測試壓力參數(shù)的主要儀器,在宇航、航空、石油和化工等部門的生產(chǎn)和科研中都發(fā)揮著重要的作用。但是,一般的壓力傳感器受溫度變化的影響很大,特別是在低溫高壓環(huán)境下,壓力傳感器應(yīng)變材料的電阻率、壓阻系數(shù)、泊松比及彈性模量等因素都將會發(fā)生變化,這些變化會直接導(dǎo)致測試結(jié)果與實際情況產(chǎn)生極大的差異,因此普通的壓力傳感器根本無法準(zhǔn)確測量[1]。

2 壓阻式壓力傳感器的原理分析

工業(yè)用的壓力傳感器種類繁多,而我們在生產(chǎn)中采用的是壓阻式壓力傳感器,其實物圖和結(jié)構(gòu)示意圖[2]見圖1、圖2:

圖1 壓阻式壓力傳感器Fig.1 Piezoresistive pressure sensor

圖2 壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of piezoresistive pressure sensor

壓阻式壓力傳感器是根據(jù)壓阻效應(yīng)研制而成的,所謂壓阻效應(yīng)是指電阻材料受到載荷作用而產(chǎn)生應(yīng)力時,其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象[3]。通常工業(yè)上用的擴散硅壓力傳感器就是利用硅片在外力作用下產(chǎn)生壓縮或拉伸時其電阻發(fā)生變化的壓阻效應(yīng)原理制成的。它是用集成電路工藝在硅片上制成四個等值擴散電阻組成一個惠斯通電橋。當(dāng)被測壓力作用于硅片上時,一對橋臂電阻變大,另一對變小,電橋失去平衡,產(chǎn)生電壓輸出。對于半導(dǎo)體材料,其電阻的相對變化為d R/R=[(1+2v)+k E]ε,一般k E》(1+2v),因此d R/R≈k Eε,所以半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。由以上分析可知,對于應(yīng)變式壓力傳感器,應(yīng)變材料的電阻率ρ、壓阻系數(shù)k、泊松比v及彈性模量E等因素都是影響壓力傳感器準(zhǔn)確測量的直接因素,而這些因素都是關(guān)于溫度的函數(shù)。影響壓阻系數(shù)k的主要因素是擴散電阻的表面雜質(zhì)濃度和溫度。隨著溫度的降低,壓阻系數(shù)將會增大。泊松比隨溫度的降低而減小,彈性模量隨溫度的降低而增大。理論研究指出:當(dāng)溫度降低時,彈性模量呈單調(diào)增加,在較高溫區(qū)呈線性變化,在絕對零度時,其變化率等于零。因此,隨著溫度的降低,應(yīng)變ε減小,以上各因素直接導(dǎo)致了應(yīng)變式壓力傳感器輸出的不確定性[4]。

3 實驗過程與結(jié)果分析

3.1 實驗過程

在合成過程中,我們對高壓腔的兩端分別進(jìn)行壓力值測量,兩個壓力感應(yīng)器理論上相同。其中感應(yīng)器1與工控計算機相連其壓力顯示值為我們的設(shè)定值,而另一端感應(yīng)器2則連接一個壓力顯示器,用來測量當(dāng)前環(huán)境下其實際壓力值。室溫下20℃左右,合成一塊金剛砂不同時刻兩者的壓力顯示如表1:

表1 常溫下壓力不同時刻的顯示值與設(shè)定值Tab.1 Displayed values and set values of pressure under atmospheric temperature at different time

在測量之前,我們需要將兩個起始值都調(diào)為零,且保證合成過程中其他條件保持不變。在合成金剛石的過程中,我們則需要記錄不同時間段內(nèi)顯示值與設(shè)定值之間的差值。

(1)當(dāng)對圖3中壓力傳感器2進(jìn)行持續(xù)加熱時分別記錄其顯示值與工控機的設(shè)定值,如表2:在合成到1500秒時用測溫儀測得感應(yīng)器表面溫度為35℃。

圖3 傳感器應(yīng)用示意圖Fig.3 Schematic diagram of the application of sensors

表2 加熱時壓力不同時刻的顯示值與設(shè)定值Tab.2 Displayed values and set values of pressure at different time when heated

(2)當(dāng)對壓力傳感器2進(jìn)行持續(xù)冷卻時分別記錄其顯示值與工控機的設(shè)定值,如表3、表4:在合成到1500秒時用測溫儀測得感應(yīng)器表面溫度為13℃。

表3 冷卻時壓力不同時刻的顯示值與設(shè)定值Tab.3 Displayed values and set values of pressure at different time when cooled

表4 不同時刻壓力傳感器零點漂移量Tab.4 Zero drift amount of pressure sensor at different time

圖4 合成時間與三種不同環(huán)境溫度下變化趨勢的關(guān)系圖Fig.4 Diagram of synthetic time and three different ambient temperature change

3.2 結(jié)果分析與解決措施

3.2.1 結(jié)果分析

從圖4可以看出,壓力感應(yīng)器在常溫環(huán)境中其零點漂移量很小,幾乎可以忽略不計;當(dāng)對壓力傳感器進(jìn)行加熱時,其顯示值持續(xù)降低,也就是實際壓力值降低,這樣的結(jié)果是合成出來的金剛砂產(chǎn)量較正常有所下降。相反,對壓力傳感器進(jìn)行冷卻時,顯示值持續(xù)升高,相當(dāng)于高壓腔內(nèi)實際壓力高于設(shè)定值,則生產(chǎn)出來的金剛砂產(chǎn)量升高。綜合起來說明環(huán)境溫度對壓力傳感器的靈敏度影響較大,使其零點產(chǎn)生漂移。在生產(chǎn)中我們盡可能地要求合成的金剛砂盡可能單產(chǎn)一致,所以就要求在恒定的溫度下進(jìn)行。

3.2.2 解決措施

將壓力傳感器固定在一個恒溫裝置中,這樣可以消除環(huán)境影響因素。

4 結(jié)論

(1)在合成過程中,控制其他條件不變的情況下,環(huán)境溫度明顯變化對金剛砂的產(chǎn)量影響較大。

(2)環(huán)境溫度突然升高壓力傳感器的零點在合成過程中產(chǎn)生明顯漂移,使其實際壓力值低于設(shè)定壓力值。

(3)環(huán)境溫度突然降低壓力傳感器的零點在合成過程中也產(chǎn)生明顯漂移,使其實際壓力值高于設(shè)定壓力值。

(4)壓力傳感器的零點存在時間漂移電漂移和熱漂移,其根本原因是因為力敏電阻的熱漂移和熱穩(wěn)定性造成的。

[1] 程向華,厲彥忠,譚宏博.影響壓力傳感器溫度特性的因素分析[J].低溫電子技術(shù),1999(51).

[2] 孫淑鳳,陳流芳,等.低溫測量中壓力傳感器的改進(jìn)與標(biāo)定[J].深冷技術(shù),1999(5).

[3] 鄭正泉,張代光,等.應(yīng)變式壓力傳感器的低溫特性研究[J].低溫工程,1990(4).

[4] 朱蘊璞,孔德仁,王芳.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

Study of the Influence of Ambient Temperature on Zero Drift of Pressure Sensor

Jia Pan,Liu Qian-kun,Zhang Feng-lian,Wang Fei-fei,Wu Zhou-jun
(Zhongnan diamond co.,LTD,Nanyang,He Nan 473200)

During the process of diamond synthesis,various parameters are controlled by Industrial Personal Computer(IPC)while the collection of various parameters is done by sensor.The pressure sensor is subject to the temperature change which will increase the risk of measurement errors.In order to study the influence of ambient temperature on the pressure parameter,we measure the difference changes of the actual pressure and the set pressure by heating and cooling the pressure sensor continuously.Repeated research shows that when ambient temperature goes up,the productivity of synthetic diamond decreases and the displayed pressure value is higher than the actual pressure value.For the other way round,the productivity of synthetic diamond increases and the actual pressure value is higher than the pressure value displayed.

ambient temperature;pressure sensor;zero drift;set pressure

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0005-04

2014-12-23

賈攀,男,高級工程師。長期從事金剛石生長過程的研究。河南南陽,中南鉆石有限公司。

王飛飛(1988-),男,助理工程師。Email:080302116@163.com