高炳濤 胡鳳巖 孫鳳舉 鐘 山 王慧龍 杜光宇
(1.北京航天計(jì)量測(cè)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)
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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品表面壓力的變化,主要用于飛行試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)等試驗(yàn)過(guò)程,在航空、航天、船舶、兵器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,且應(yīng)用場(chǎng)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(huì)發(fā)生改變,因此需對(duì)貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性進(jìn)行研究。
圖1 貼片式壓力傳感器構(gòu)造圖
貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)方案如圖2所示,全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)腔放置于高低溫試驗(yàn)箱中以獲取所需的高低溫校準(zhǔn)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(zhǔn)腔內(nèi)部,并在腔體上、下、前、后四個(gè)位置均勻布置4只溫度傳感器,待4只溫度傳感器達(dá)到預(yù)定校準(zhǔn)溫度并穩(wěn)定后,以4只溫度傳感器的平均值作為實(shí)際校準(zhǔn)溫度。利用標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)腔內(nèi)部施加標(biāo)準(zhǔn)氣體壓力,對(duì)貼片式壓力傳感器輸出進(jìn)行測(cè)量,以此完成對(duì)貼片式壓力傳感器在(-50~100)℃溫度范圍內(nèi)特定溫度點(diǎn)下溫度響應(yīng)特性的校準(zhǔn)。
圖2 貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)示意圖
利用自研的一套貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)裝置對(duì)貼片式壓力傳感器在-50℃~100℃溫度范圍內(nèi)特定溫度點(diǎn)下溫度響應(yīng)特性進(jìn)行研究,貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)裝置技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)測(cè)量范圍:絕壓(2~500)kPa;
(2)壓力測(cè)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(zhǔn)裝置包括標(biāo)準(zhǔn)壓力源、高低溫試驗(yàn)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(zhǔn)腔及被校準(zhǔn)貼片式壓力傳感器共5部分。其中,標(biāo)準(zhǔn)壓力源用于為貼片式壓力傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值;高低溫試驗(yàn)箱用于提供高低溫校準(zhǔn)環(huán)境;全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)腔內(nèi)部放置被校準(zhǔn)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(gè)位置均勻布置4只溫度傳感器對(duì)其內(nèi)部環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量;溫度隔離壓力連接管路實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力源與密封腔之間的溫度隔離,防止調(diào)壓過(guò)程中高低溫氣體回流對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生影響,下文對(duì)校準(zhǔn)裝置各組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。
圖3 貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)裝置示意圖
2.2.1
標(biāo)準(zhǔn)壓力源標(biāo)準(zhǔn)壓力源作為貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性校準(zhǔn)裝置的壓力發(fā)生裝置,為貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)提供標(biāo)準(zhǔn)壓力值,其主要包括標(biāo)準(zhǔn)絕壓氣體壓力傳感器、壓力調(diào)節(jié)和控制機(jī)構(gòu)、管路系統(tǒng)以及顯示單元等幾個(gè)部分。其中,標(biāo)準(zhǔn)絕壓氣體壓力傳感器采用美國(guó)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(zhǔn)壓力值;壓力調(diào)節(jié)和控制機(jī)構(gòu)主要由調(diào)壓閥、保護(hù)閥、管路閥門、以及消聲器等組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)(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(zhǔn)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(zhǔn)腔如圖5所示,為全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)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(zhǔn)腔內(nèi)壓板、螺紋壓板、環(huán)形壓片、大環(huán)形密封圈、校準(zhǔn)腔腔體和溫度傳感器共七部分,校準(zhǔn)腔腔體對(duì)稱位置布置4個(gè)溫度傳感器,對(duì)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境實(shí)際溫度進(jìn)行測(cè)量。
圖5 貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力源與全溫區(qū)貼片式壓力傳感器校準(zhǔn)腔之間的溫度隔離,防止調(diào)壓過(guò)程中高低溫氣體回流對(duì)標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生影響。壓力連接管路設(shè)計(jì)為螺旋式結(jié)構(gòu),并將其放置于恒溫水浴中,通過(guò)增加表面接觸面積,實(shí)現(xiàn)管路熱傳導(dǎo)及壓力調(diào)節(jié)過(guò)程中高低溫氣體溫度影響的隔離。為了對(duì)恒溫水浴溫度進(jìn)行合理設(shè)定并對(duì)溫度隔離效果測(cè)試,在進(jìn)氣與回氣螺旋管路兩端分別布置溫度傳感器對(duì)管路中的氣體溫度進(jìn)行測(cè)量與過(guò)程監(jiān)控監(jiān)控,如圖6所示。
圖6 溫度隔離壓力連接管路
選取ENDEVCO公司的量程分別為350kPa.a貼片式壓力傳感器(編號(hào):K80084#)分別在20℃、-50℃、50℃、100℃4個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)。依據(jù)《JJG860-2015壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》對(duì)貼片式壓力傳感器輸出進(jìn)行計(jì)算分析,獲得該傳感器在不同校準(zhǔn)溫度點(diǎn)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(zhǔn)溫度點(diǎn)下貼片式壓力傳感器指標(biāo)對(duì)比表
由表1可知,貼片式壓力傳感器在不同校準(zhǔn)溫度點(diǎn)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(diǎn)輸出及靈敏度均產(chǎn)生變化,理論零點(diǎn)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(jìn)一步對(duì)貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性進(jìn)行分析,定義熱零點(diǎn)偏差及熱靈敏度偏差參數(shù)。
(1)熱零點(diǎn)偏差
在-50℃~100℃溫度范圍內(nèi)某個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn),貼片式壓力傳感器輸出零點(diǎn)示值與常溫20℃±2℃下的輸出零點(diǎn)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(diǎn)無(wú)法獲得,以絕壓2kPa作為貼片式壓力傳感器的近似零點(diǎn)。按公式(1)計(jì)算貼片式壓力傳感器熱零點(diǎn)偏差α
。(1)
(2)熱靈敏度偏差
在-50℃~100℃溫度范圍內(nèi)某個(gè)校準(zhǔn)溫度點(diǎn)下與常溫20℃±2℃相比,貼片式壓力傳感器在各壓力校準(zhǔn)點(diǎn)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(jì)算貼片式壓力傳感器各壓力校準(zhǔn)點(diǎn)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(duì)貼片式壓力傳感器熱零點(diǎn)偏差及熱靈敏度偏差進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表2所示。
表2 不同校準(zhǔn)溫度點(diǎn)下貼片式壓力傳感器熱零點(diǎn)偏差及熱靈敏度偏差對(duì)比表
由上表2可知,貼片式壓力傳感器在不同校準(zhǔn)溫度點(diǎn),熱零點(diǎn)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。
通過(guò)開(kāi)展貼片式壓力傳感器溫度響應(yīng)特性研究,在不同校準(zhǔn)溫度點(diǎn),對(duì)貼片式壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn),并對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際工作溫度進(jìn)行校準(zhǔn)是確保其輸出精度的有效方法。