王 博，劉 鵬，楊 興，姚嘉林，李潤(rùn)坤，唐 碩

(1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005；2.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。尤其在醫(yī)療領(lǐng)域其作為測(cè)量壓力的核心部件，常需要小量程、高精度的壓力傳感器[1-3]。然而由于制作材料、工藝等因素會(huì)引入一些誤差，導(dǎo)致壓力傳感器實(shí)際測(cè)量的壓力值與真實(shí)值存在一定的偏差，所以必須在其使用前進(jìn)行標(biāo)定校驗(yàn)[4-5]。目前，常用標(biāo)定裝置有活塞壓力計(jì)、杠桿式和彈簧測(cè)力計(jì)式標(biāo)定機(jī)[6-8]。這些標(biāo)定裝置在進(jìn)行壓力標(biāo)定時(shí)，需要手動(dòng)按照復(fù)雜的標(biāo)定程序進(jìn)行標(biāo)定，手動(dòng)標(biāo)定存在控制精度低、系統(tǒng)誤差大，標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn)確，以及工作效率低和高成本等問(wèn)題。因此，這些標(biāo)定裝置并不能很好的適用壓力傳感器的高精度標(biāo)定。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，科研人員研究并搭建了較高精度的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。例如王洋等搭建了控制精度為±180 Pa的壓力控制系統(tǒng)[9]；Lou等基于ADTS 405壓力控制器搭建的壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)[10]。針對(duì)上述現(xiàn)狀，為了實(shí)現(xiàn)壓力高精度控制以及全過(guò)程自動(dòng)化標(biāo)定的需求，本文采用粗、微調(diào)節(jié)壓力的方式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并搭建了用于壓力傳感器的高精度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，并且將原來(lái)復(fù)雜的標(biāo)定過(guò)程編寫成計(jì)算機(jī)軟件，整體系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、控制精度高，可實(shí)現(xiàn)壓力傳感器標(biāo)定全程自動(dòng)化，有效提高標(biāo)定效率。

1 工作原理

實(shí)現(xiàn)壓力腔內(nèi)氣體壓力的高精度控制，首先需要對(duì)腔內(nèi)氣體的壓力特性進(jìn)行分析：由于腔內(nèi)氣體遵循普適氣體定律，如式(1)所示，當(dāng)壓力腔體積、氣體常數(shù)、腔內(nèi)溫度不變的情況下，腔內(nèi)壓力只與腔內(nèi)氣體物質(zhì)的量成正比。關(guān)系如式(2)所示，因此可推出質(zhì)量表示狀態(tài)方程式(3)，由式(3)可知腔內(nèi)壓力與腔內(nèi)氣體的質(zhì)量成正比。

PV=nRT

(1)

(2)

(3)

式中：P為氣體壓強(qiáng)，Pa；V為容器的體積，m3；n為物質(zhì)的量，mol；M為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg·mol-1；T為溫度，K；m為質(zhì)量，kg。

當(dāng)向壓力腔內(nèi)充氣時(shí)，微觀上氣體分子數(shù)勢(shì)必會(huì)增多，氣體分子對(duì)器壁的碰撞更加頻繁，每次分子對(duì)器壁的撞擊作用也變大。因此，腔內(nèi)壓力可以通過(guò)改變腔內(nèi)氣體的質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，如圖1所示。

圖1 腔內(nèi)壓力變化原理示意圖

基于上述腔內(nèi)壓力特性分析，以及工程成本與腔內(nèi)壓力調(diào)節(jié)速度的考慮。根據(jù)壓力粗調(diào)、微調(diào)的思路，本文設(shè)計(jì)了粗調(diào)閥、微調(diào)閥相結(jié)合的壓力調(diào)節(jié)模塊，該模塊通過(guò)調(diào)節(jié)控制電壓來(lái)改變進(jìn)入壓力腔的氣體質(zhì)量最終實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)壓力的高精度調(diào)節(jié)，如圖2所示。標(biāo)定系統(tǒng)在進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)時(shí)，首先通過(guò)調(diào)節(jié)粗調(diào)閥的控制電壓，實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)壓力在15 s內(nèi)調(diào)節(jié)到期望壓力值±20 Pa內(nèi)。其次，系統(tǒng)程序?qū)⒋终{(diào)后腔內(nèi)的壓力值與期望壓力值進(jìn)行比較，以此判斷升壓微調(diào)閥和降壓微調(diào)閥的工作狀態(tài)。最后，通過(guò)控制微調(diào)閥的控制電壓，可完成腔內(nèi)壓力的Pa級(jí)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)通過(guò)粗調(diào)閥與微調(diào)閥的配合最終實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)壓力快速高精度控制。

圖2 壓力調(diào)節(jié)工作原理圖

2 標(biāo)定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于上述工作原理，本文搭建的標(biāo)定系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成，其中實(shí)現(xiàn)快速、高精度的壓力控制首先取決于系統(tǒng)的硬件性能，硬件部分由壓力腔、壓力調(diào)節(jié)模塊、控制器、信號(hào)輸出模塊組成，如圖3所示。系統(tǒng)整體功能的實(shí)現(xiàn)主要由軟件部分決定，通過(guò)C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了自動(dòng)標(biāo)定軟件，使標(biāo)定全程自動(dòng)化。其中包括程序控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊3部分組成。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要由壓力腔、壓力調(diào)節(jié)模塊、控制器以及信號(hào)輸出模塊組成。 壓力腔是硬件系統(tǒng)的重要組成部分，合理的腔體設(shè)計(jì)直接影響后續(xù)標(biāo)定的質(zhì)量，本系統(tǒng)壓力腔采用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)，其整體設(shè)計(jì)圖如圖4所示，壓力腔外部呈現(xiàn)圓柱形結(jié)構(gòu)，選用具有良好的耐熱性和耐腐蝕性的304不銹鋼加工而成，整體容積約為10 L。腔體下部為一鋼制底座，上部是一帶有密封圈的端蓋，并且設(shè)計(jì)了4個(gè)可以用來(lái)固定端蓋的法蘭旋鈕，可以保證整個(gè)腔內(nèi)具有良好的氣密性。另外，為了方便觀察內(nèi)部待測(cè)傳感器的實(shí)時(shí)狀況，端蓋中心裝載一塊透明石英玻璃，可以實(shí)時(shí)觀察腔內(nèi)的測(cè)試情況。腔壁鑲嵌了多個(gè)19芯的航空插頭，用于待標(biāo)定傳感器與信號(hào)輸出模塊進(jìn)行電氣連接，并且腔壁內(nèi)纏有加熱帶，可與外部控溫系統(tǒng)連接，為后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)提供可能。

圖4 壓力腔整體設(shè)計(jì)圖

整個(gè)壓力腔設(shè)計(jì)了3個(gè)進(jìn)出氣口，實(shí)現(xiàn)了“一進(jìn)一出一監(jiān)測(cè)”的目的，其中“一進(jìn)”作為調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力的通道，將壓力腔與外部氣路結(jié)合成一個(gè)整體；“一出”是基于對(duì)安全的考慮，通過(guò)配套安裝大流量手動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，可以將腔內(nèi)壓力快速卸載；“一監(jiān)測(cè)”是通過(guò)該氣口與基準(zhǔn)壓力傳感器進(jìn)行連接，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔內(nèi)壓力的目的，根據(jù)國(guó)標(biāo)中對(duì)基準(zhǔn)傳感器的規(guī)定，本文選用GE高精度數(shù)字壓力傳感器作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)壓力傳感器，其量程為0～120 kPa，精度為±0.01%FS，使用時(shí)通過(guò)RS232串行通訊接口與PC端連接，可實(shí)時(shí)顯示腔內(nèi)壓力值。

將腔內(nèi)壓力快速準(zhǔn)確的穩(wěn)定在期望值，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的控制壓力腔中的氣體量，針對(duì)腔內(nèi)壓力達(dá)到即要高控制精度又要快速穩(wěn)定的目的，本文設(shè)計(jì)了粗調(diào)閥與微調(diào)閥相配合的壓力調(diào)節(jié)模塊。該氣路由電氣比例閥(比例閥1)、微流量比例閥(比例閥2)構(gòu)成。比例閥1自帶閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出壓力與0～10 V的控制電壓呈線性關(guān)系，閥體內(nèi)部的壓力傳感器和控制電路確保輸出壓力的精確調(diào)節(jié)，壓力控制精度可達(dá)±0.1%FS。比例閥2負(fù)責(zé)升、降壓微調(diào)。微調(diào)閥的閥體內(nèi)部為極薄彈性金屬片兩面粘結(jié)壓電晶體，在壓電片的2個(gè)工作面上真空鍍膜形成2個(gè)電極，利用壓電片在電場(chǎng)作用下的變形，來(lái)實(shí)現(xiàn)閥體內(nèi)部微型氣路的流量調(diào)節(jié)，微調(diào)閥的最大工作流量為1.5 L/min，響應(yīng)時(shí)間小于2 ms，微小的工作流量以及極快的響應(yīng)速度為實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)壓力的Pa級(jí)調(diào)節(jié)提供保障。

本系統(tǒng)選用三路可編程直流電源作為控制器，該電源具有優(yōu)異的輸出精度，誤差在0.1%內(nèi)，紋波有效值低于250 μV，峰峰值低于3 mV，可使電壓輸出穩(wěn)定，并且電壓分辨率可達(dá)0.1 mV，極低的分辨率可使微小壓力調(diào)節(jié)更易控制。

標(biāo)定過(guò)程中，腔內(nèi)待標(biāo)定壓力傳感器的信號(hào)由信號(hào)輸出模塊進(jìn)行輸出，該模塊采用Arduino單片機(jī)作為主控制器，通過(guò)USB串口將采集到的信號(hào)傳輸PC端數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，等待后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。信號(hào)采集模塊組成框圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)輸出模塊組成框圖

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是基于C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要包括程序控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、以及數(shù)據(jù)處理模塊。本文軟件系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

2.2.1 單點(diǎn)測(cè)試功能設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)標(biāo)定系統(tǒng)以及待標(biāo)定傳感器是否正常工作，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了單點(diǎn)測(cè)試功能。測(cè)試時(shí)首先輸入單點(diǎn)壓力期望值，控制程序控制壓力腔內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)，并且主界面會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前腔內(nèi)的壓力值。當(dāng)腔內(nèi)壓力穩(wěn)定于期望壓力的誤差范圍時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊開(kāi)始采集腔內(nèi)待標(biāo)定傳感器的壓力值，并且將壓力值顯示于主界面。

2.2.2 自動(dòng)標(biāo)定功能設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的全自動(dòng)標(biāo)定，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)標(biāo)定功能，在軟件控制界面內(nèi)輸入需要測(cè)試的壓力值以及壓力循環(huán)次數(shù)。系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)的壓力控制和數(shù)據(jù)采集與處理，最終將標(biāo)定結(jié)果保存為Excel格式。圖7為軟件程序控制界面圖，圖8為系統(tǒng)整體實(shí)物圖。

圖8 高精度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)實(shí)物圖

圖7 軟件程序控制界面圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

3.1 系統(tǒng)壓力控制測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)壓力的控制精度，在100～120 kPa的量程范圍內(nèi)平均選取11個(gè)期望壓力值，然后進(jìn)行3次壓力循環(huán)控制，循環(huán)過(guò)程依次命名Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。根據(jù)GE DPS8000基準(zhǔn)壓力傳感器測(cè)得腔內(nèi)實(shí)際壓力，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，并且測(cè)試腔內(nèi)壓力由大氣壓到各個(gè)期望壓力點(diǎn)的壓力調(diào)節(jié)時(shí)間如圖9所示。

表1 系統(tǒng)壓力控制測(cè)試實(shí)驗(yàn) Pa

圖9 大氣壓到任意期望點(diǎn)的壓力調(diào)節(jié)時(shí)間

根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，在100～120 kPa調(diào)壓量程內(nèi)，3次壓力循環(huán)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，腔內(nèi)測(cè)試壓力值與期望壓力值最大偏差為1 Pa，測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)壓力控制精度高，具有良好的可靠性，并且由圖9所示，腔內(nèi)壓力由大氣壓調(diào)節(jié)到任意壓力期望點(diǎn)的調(diào)節(jié)時(shí)間均不超過(guò)30 s。綜上結(jié)果證明，該系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)滿足快速、高精度控制的需求。

3.2 自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了保證標(biāo)定過(guò)程的可靠性，依據(jù)GB/T 15478—2015[11]，進(jìn)行壓力傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，具體步驟為：在測(cè)量范圍內(nèi)選取6個(gè)壓力期望點(diǎn)并進(jìn)行3次循環(huán)檢定。本文選用BOSCH BMP280壓力傳感器作為待標(biāo)定壓力傳感器進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)。表2所示為1、2、3號(hào)BMP280壓力傳感器自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，該標(biāo)定系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)壓力傳感器全自動(dòng)、高精度的標(biāo)定。

表2 自動(dòng)標(biāo)定測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析腔內(nèi)氣體壓力特性，并根據(jù)其特性設(shè)計(jì)了基于粗、微調(diào)閥相配合的壓力調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)壓力的快速高精度調(diào)節(jié)，并搭建了用于壓力傳感器的高精度自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。基于上述標(biāo)定系統(tǒng)，進(jìn)行了腔內(nèi)壓力控制測(cè)試實(shí)驗(yàn)以及壓力傳感器的自動(dòng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)壓力在30 s內(nèi)達(dá)到壓力期望值，壓力控制精度±1 Pa，并且可實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的全程自動(dòng)標(biāo)定。由此可證明該系統(tǒng)可高效的完成壓力傳感器的高精度自動(dòng)標(biāo)定。另外，該系統(tǒng)是一個(gè)可升級(jí)的模塊化開(kāi)放系統(tǒng)，不僅可用于小量程高精度的壓力傳感器標(biāo)定，對(duì)于大量程的壓力傳感器高精度標(biāo)定也具有參考價(jià)值。