[摘 要]文章描述了壓力測(cè)試系統(tǒng)壓力傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的幾種方法。具體介紹了PSI公司的PSI780B、PSI8400和PSI7010/16電子掃描壓力測(cè)量系統(tǒng)中壓力傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)組成、工作原理和部件功能。通過(guò)討論和分析，為從事壓力測(cè)量的設(shè)計(jì)人員提供理論和試驗(yàn)參考。

[關(guān)鍵詞]多通道；壓力測(cè)試系統(tǒng)；傳感器；實(shí)時(shí)校準(zhǔn)

[中圖分類號(hào)]TP212.12 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0153–03

Analysis of Real-Time Calibration Methods for Pressure Sensors

ZHANG Tianwen，HUANG Xiwang，RAO Qianqian，LI Puliang

[Abstract]This article describes several methods for real-time calibration of pressure sensors in pressure testing systems. This article specifically introduces the composition， working principle， and component functions of the pressure sensor real-time calibration device system in PSI’s PSI780B， PSI8400， and PSI7010/16 electronic scanning pressure measurement systems. Provide theoretical and experimental references for designers engaged in pressure measurement through discussion and analysis.

[Keywords]multi-channel； pressure testing system； sensors； real time calibration

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)試中，壓力傳感器校準(zhǔn)是一個(gè)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。試驗(yàn)一般要求測(cè)點(diǎn)多，而同一截面壓力范圍相當(dāng)，并且由于發(fā)動(dòng)機(jī)自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)部件等因素決定了待測(cè)壓力參數(shù)的脈動(dòng)特性，要求測(cè)試同步。因此，壓力測(cè)試必須每個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力傳感器。這樣傳感器用量肯定較多。對(duì)于多個(gè)傳感器如要逐個(gè)進(jìn)行人工“給壓力記數(shù)據(jù)”的方式進(jìn)行校準(zhǔn)，不僅費(fèi)工費(fèi)時(shí)，數(shù)據(jù)事后處理也很繁瑣。且這樣重復(fù)性工作多了，很易疲勞出錯(cuò)，影響傳感器的校準(zhǔn)精度。另外，從傳感器本身看，其輸入輸出特性并非只需校準(zhǔn)一次即可長(zhǎng)期保證使用精度，而是隨溫度等環(huán)境條件的變化而變化，對(duì)于時(shí)溫漂較大傳感器表現(xiàn)尤為突出。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，其特性曲線系數(shù)必須重新校準(zhǔn)，以確定新系數(shù)才能保證測(cè)量精度。這樣，反反復(fù)復(fù)校準(zhǔn)的工作量是巨大的。為此，國(guó)際國(guó)內(nèi)從事測(cè)試儀器研制的單位研制出了幾種具有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能的壓力測(cè)量系統(tǒng)，正在為航空發(fā)動(dòng)機(jī)或其他大型風(fēng)洞試驗(yàn)等高科技領(lǐng)域所廣泛采用，成為多點(diǎn)壓測(cè)量技術(shù)的主流。文章就PSI780B、PSI8400、PSI9010/9016等幾種系統(tǒng)中實(shí)時(shí)校準(zhǔn)這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1 傳感器校準(zhǔn)概述

1.1 校準(zhǔn)必要性

校準(zhǔn)可確保從設(shè)備獲取的測(cè)量值接近真實(shí)值。工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域，準(zhǔn)確測(cè)量參數(shù)以設(shè)計(jì)獲得可重復(fù)結(jié)果的過(guò)程或?qū)嶒?yàn)非常重要。在某些情況下，參數(shù)初始條件的微小變化可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生較大變化，因此準(zhǔn)確的測(cè)量至關(guān)重要。具體包括以下方面：①通過(guò)校準(zhǔn)，可以確保校準(zhǔn)的產(chǎn)品和組件按預(yù)期運(yùn)行并且可以安全使用。②經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的組件和設(shè)備將可靠地生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。③縮短生產(chǎn)時(shí)間。當(dāng)質(zhì)量組件可用時(shí)，不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間更換超出公差的組件。④確保符合行業(yè)法規(guī)和公司認(rèn)證。⑤校準(zhǔn)將允許可靠地報(bào)告產(chǎn)品精度。⑥提高一致性和可靠性。按照適當(dāng)規(guī)格制造的產(chǎn)品性能更好，使用壽命更長(zhǎng)。⑦漂移補(bǔ)償。漂移誤差通過(guò)定期校準(zhǔn)得到糾正。⑧預(yù)防和預(yù)測(cè)過(guò)程故障?？煽壳覝?zhǔn)確的傳感器可以檢測(cè)到逐漸超出公差的過(guò)程條件。

1.2 校準(zhǔn)原理

壓力傳感器校準(zhǔn)是對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精度和可靠性。傳感器的校準(zhǔn)原理是在傳感器校準(zhǔn)時(shí)，將傳感器的輸出值和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)調(diào)整傳感器的參數(shù)來(lái)消除誤差，使傳感器的輸出值與實(shí)際測(cè)量值一致。

2 壓力傳感器校準(zhǔn)方法

2.1 常用校準(zhǔn)方法

2.1.1 靜態(tài)校準(zhǔn)法

靜態(tài)校準(zhǔn)法需要將壓力傳感器與已知值進(jìn)行對(duì)比，包括負(fù)載或稱重儀器等。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于測(cè)量簡(jiǎn)便，但缺點(diǎn)是校準(zhǔn)過(guò)程需要使用其他儀器，同時(shí)需要注意環(huán)境因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.1.2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)法需要通過(guò)實(shí)際場(chǎng)景下的應(yīng)用測(cè)試來(lái)比對(duì)，通常需要使用標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器、壓力泵及信號(hào)發(fā)生器等。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠模擬實(shí)際應(yīng)用中的壓力波動(dòng)情況，對(duì)壓力傳感器的穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間的檢測(cè)更為準(zhǔn)確。

對(duì)于穩(wěn)態(tài)用壓力傳感器通常采用靜態(tài)校準(zhǔn)方法，但由于在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中壓力測(cè)點(diǎn)多，傳感器用量大，拆裝難度高，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器的穩(wěn)定性和時(shí)間響應(yīng)方面也提出了更嚴(yán)格的要求，校準(zhǔn)工作量也隨之增大。針對(duì)這種情況，考慮采用多點(diǎn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的方法。

2.2 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)共同點(diǎn)

（1）采用“多點(diǎn)校準(zhǔn)壓力”進(jìn)行校準(zhǔn)以獲得傳感器曲線方程。在傳感器精度中，非線性誤差占了較大比重，一般在±（0.1～0.2）%F.S，采用二次及以上曲線，其誤差可減少±0.05%F.S。

（2）多路（氣動(dòng)切換）校準(zhǔn)閥的研制和應(yīng)用使傳感器校準(zhǔn)無(wú)需把傳感器從測(cè)量氣路中分離出來(lái)，就能實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)與測(cè)量?jī)晌恢梅奖闱袚Q。

（3）壓力校準(zhǔn)均采用±0.05%F.S及以上高精度的壓力傳感器或標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)。

（4）聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)。聯(lián)機(jī)校準(zhǔn)時(shí)用0.7 MPa左右的控制壓力把校準(zhǔn)閥推到校準(zhǔn)位置，隨后施加給定的校準(zhǔn)壓力PCAL給被校傳感器。由計(jì)算機(jī)采集傳感器輸出的電信號(hào)U，然后通過(guò)PCAL與U的函數(shù)關(guān)系p=f（U）求得相關(guān)的系數(shù)，以確定這一函數(shù)關(guān)系式。校準(zhǔn)完成后，控制壓力把校準(zhǔn)閥推回到測(cè)試位置。

2.3 校準(zhǔn)現(xiàn)狀

中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所（以下簡(jiǎn)稱“湖南動(dòng)力機(jī)械所”）目前使用的是美國(guó)Ruska公司的活塞壓力計(jì)壓力校準(zhǔn)裝置，該設(shè)備精度高，準(zhǔn)確度等級(jí)為±0.0035%，且操作簡(jiǎn)單，能滿足湖南動(dòng)力機(jī)械所對(duì)壓力測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)的精度要求。但該設(shè)備校準(zhǔn)時(shí)配套設(shè)備較多，環(huán)境要求高，且需使用電腦端軟件進(jìn)行操作，很難進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。

3 常用的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法

3.1 PSI780B壓力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

湖南動(dòng)力機(jī)械所在1990年、1991年引進(jìn)了2套PSI780B系統(tǒng)，為其發(fā)動(dòng)機(jī)壓力測(cè)量發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)中的壓力實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)代表著壓力校準(zhǔn)的先進(jìn)水平，其壓力校準(zhǔn)單元（PCU）如圖1所示。

圖中EV1～EV2為氣控電磁閥，R1～R2為復(fù)合調(diào)壓閥。從外面提供電0.7 MPa氣源給壓力校準(zhǔn)單元。部件功能如下。

（1）控制壓力P1、P2，實(shí)現(xiàn)用氣動(dòng)方式將傳感器組件接通到校準(zhǔn)位置或工作位置。

（2）用復(fù)合調(diào)壓器（R1～R3）。手動(dòng)選擇一種量程內(nèi)的“三點(diǎn)校準(zhǔn)壓力”一般調(diào)定在0、1/2PFS、PFS（PFS為滿量程壓力）。

（3）氣控電磁閥（EV1～EV5）?？刂菩盘?hào)順序接通氣控電磁閥EV1～EV5，發(fā)現(xiàn)被校傳感器的工作與校準(zhǔn)位置切換，并通過(guò)校準(zhǔn)端口輸出“三點(diǎn)校準(zhǔn)壓力”給壓力傳感器組件。

（4）數(shù)字石英傳感器。實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)壓力PCAL的準(zhǔn)確測(cè)量，即給出壓力真值。

利用“三點(diǎn)校準(zhǔn)壓力”的方法對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)系統(tǒng)計(jì)算單元處理，獲得各傳感器的二次系數(shù)并以此系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)壓力的測(cè)量。

3.2 PSI8400壓力測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法

PSI8400是PSI公司最新發(fā)展的系統(tǒng)，采用“五點(diǎn)校準(zhǔn)”方式。與PSI780B比較，其顯著的不同點(diǎn)在于校準(zhǔn)氣動(dòng)調(diào)壓方法發(fā)生了變化，即由手動(dòng)復(fù)合調(diào)壓發(fā)展為壓力伺服閥為基礎(chǔ)的自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)壓方式。其原理如圖2所示。

PSI8400由高精度石英晶振壓力傳感器（精度：±0.02%FS）、硅壓阻傳感器S100DH和壓力伺服閥組成閉合回路，受單片微機(jī)HD64180控制，在校準(zhǔn)口輸出精度為±0.02%F.S的標(biāo)準(zhǔn)壓力。利用這種方式，“5個(gè)校準(zhǔn)壓力”不需要通過(guò)電磁閥一路路的施加壓力，而是利用單片機(jī)閉路反饋調(diào)節(jié)壓力伺服閥輸出壓力，大幅簡(jiǎn)化了氣路結(jié)構(gòu)。

另外，被校準(zhǔn)傳感器的系數(shù)處理，是用四次方程求解得到的。

3.3 PSI9010/9016校準(zhǔn)方法

PSI9010/9016校準(zhǔn)方法不同于PSI780B和PSI8400，是一種數(shù)字溫度補(bǔ)償型壓力校準(zhǔn)方法。其設(shè)計(jì)思想是基于硅壓阻傳感器受溫度影響較大，于是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，選用“雙參數(shù)”硅壓阻傳感器（能測(cè)p、t）。將傳感器系數(shù)與溫度的關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法在出廠前確定，存于傳感器的E2PROM中。通過(guò)校零（REZERO）和間距校準(zhǔn)（SPAN）修正零位、非線性和溫度熱影響。

校準(zhǔn)時(shí)經(jīng)常校零，3～6個(gè)月給一個(gè)滿程標(biāo)準(zhǔn)壓力進(jìn)行間距（SPAN）校準(zhǔn)，就能滿足精度要求。

DSY128是國(guó)產(chǎn)電子掃描多點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)，類似PSI780B的測(cè)壓設(shè)備。校準(zhǔn)方法與PSI780B相同，也是“三點(diǎn)校準(zhǔn)”壓力標(biāo)準(zhǔn)，采用浮壞球壓力計(jì)、振動(dòng)簡(jiǎn)傳感器和數(shù)字石英傳感器作為壓力標(biāo)準(zhǔn)。另外，如果被測(cè)傳感器的正反對(duì)稱性較好，還可以利用反向加壓校準(zhǔn)正向測(cè)壓的方法。

考慮采用反向加壓校準(zhǔn)正向測(cè)壓，是由于在正向壓力校準(zhǔn)后必須通過(guò)校準(zhǔn)切換閥將壓力模塊的校準(zhǔn)狀態(tài)切換至測(cè)量狀態(tài)，而壓力模塊中校準(zhǔn)切換閥加工難度較大，給校準(zhǔn)工作增加難度。由于壓力傳感器正向和反向均為密封狀態(tài)當(dāng)被測(cè)傳感器正反對(duì)稱性較好時(shí)，可在傳感器段給定一個(gè)反向壓力校準(zhǔn)，待校準(zhǔn)完成后將傳感器校準(zhǔn)壓力完全泄壓，之后就可在正端直接進(jìn)行測(cè)量，由此省掉校準(zhǔn)切換閥這一步驟。

4 結(jié)論

通過(guò)上述對(duì)目前多點(diǎn)壓力傳感器幾種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行的分析，其共同點(diǎn)是明顯的，可得到下面幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

（1）要建立具有實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能的壓力測(cè)試系統(tǒng)，需要研制出能滿足各種壓力條件下的多路校準(zhǔn)閥。因?yàn)槎嗦沸?zhǔn)閥是實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法提供了必要條件。

（2）測(cè)壓系統(tǒng)如果增加現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)功能，所需要的測(cè)量傳感器的技術(shù)指標(biāo)可以降低，只要在測(cè)試前進(jìn)行校準(zhǔn)，修正傳感器的溫漂誤差，就能使測(cè)壓系統(tǒng)具有較好的短時(shí)間精度特性。精度可做到優(yōu)于±0.1%F.S，這樣既節(jié)省組建測(cè)壓系統(tǒng)經(jīng)費(fèi)，又保證測(cè)壓精度。

（3）實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)建議采用PSI9010/9016系統(tǒng)的形式，其技術(shù)水平較高，但會(huì)受到無(wú)“雙參數(shù)”傳感器的限制。隨著我國(guó)傳感器的發(fā)展，這一方法可借鑒。

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