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)

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(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

2 校準(zhǔn)方案及校準(zhǔn)裝置

2.1 校準(zhǔn)方案

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

2.2 校準(zhǔn)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(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

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(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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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。