高温压力传感器标定的实验研究

谭苗苗

（北京联合大学机电学院，北京100020）

0 引言

静态和动态特性是评价传感器优劣的依据，包括灵敏度、线性度、稳定性等静态指标，以及传感器的频率响应函数等。高温压力传感器工作在极端恶劣环境下[1-3]，其各项性能的标定对于测试可行性及准确性具有重要的实际意义。传感器标定实验通常以高精度传感器为参考，制定各项指标的测试方案，实施测试实验获得大量实验数据，通过数据分析最终获得性能指标参数和曲线[4-8]。目前对于常温压力传感器的标定方法和实验研究比较成熟，将被标定传感器置于稳定的可变气体压力空间内，分析压力输入与传感器输出信号之间关系，而高温压力传感器标定实验研究还不完善[9-13]。

本文采用已设计研制的高温压力传感器标定系统，对传感器的静态性能的多项指标进行了试验方案设计和实验研究，分析被标定传感器的性能优劣。

1 标定实验系统

所采用的标定系统由电动立式机台、温度控制系统和压力控制系统组成，如图1所示。将压力传感器和温度传感器分别用螺纹固定连接气缸的2个输出口。开启温度控制系统，设定温度值，加热带工作。达到温度设定值后，开启压力控制系统，测定高温气体的初始压力。通过调节气缸活塞杆的高度改变气缸内气体介质的压力，并同时采集压力传感器的数值[14]。

实验中所标定的高温压力传感器为蓝宝石衬底的金属薄膜压阻式压力传感器[15]。其工作原理为：当被测压力施加在圆形敏感元件上，金属薄膜由于几何尺寸的变形造成薄膜电阻的变化，该电阻变化通过转换电路转换为电流输出。所标定传感器的输出电流范围为4～20 mA。

图1 高温压力传感器标定系统

2 实验内容及方案

2.1 压力传感器的灵敏度测定

灵敏度是传感器静态性能的重要指标。为了提高灵敏度测量精度，对同一温度被测气体进行3次压力值重复测量，将3次测量值取平均值作为传感器某个被测压力值下的输出值。

设定温度为常温，由电动立式机台控制推拉力计的顶杆缓缓下降，压缩气缸内的空气，从而逐渐改变气缸内的气体压力。气体压力的标准值由推拉力计测得。标定系统中推拉力计获得的测量值单位为N，根据采用的气缸内径尺寸，可计算得到以Pa为单位的气体压力值。高温压力传感器的输出电流值通过数据采集卡传输给上位机。采用LabVIEW软件编辑上位监测界面，将输出电流曲线的变化趋势及实时测量值进行显示和保存，如图2所示。

图2 高温压力传感器输出电流采集界面

提取高温压力传感器的电流输出值和标准压力值，获得电流-压力的标定曲线。采用最小二乘法直线进行拟合，计算压力传感器的灵敏度。

2.2 温度对压力传感器灵敏度的影响

高温压力传感器可应用于高温被测介质的压力测量，并具有高温下不被破坏、性能稳定等特点。因此传感器在测量高温介质时的灵敏度测试具有重要的实验价值。

如图1所示的标定系统，首先开启温度控制系统，设定温控器温度为90℃。此时气缸外壁上的加热带工作，系统中的温度传感器实时测量气缸内气体介质的温度，当温度超过90℃时，温控器输出开关信号给继电器，加热带停止工作。该温控系统具有反馈调节功能，始终保持被测气体为90℃。然后开启电动立式机台，重复传感器灵敏度测试实验，获得90℃气体时的传感器灵敏度值。最后将该灵敏度与室温下的传感器灵敏度比较，分析温度对传感器灵敏度的影响。

3 实验结果及分析

3.1 室温下传感器的灵敏度

重复3次测量过程中，传感器电流输出值的分散性小，将3次测量的输出电流平均值列入实验数据表格，获得室温下传感器灵敏度的测试实验数据如表1所示。被测气体的压力从0.3 kPa逐渐增加至1.2 kPa时，压力传感器的输出电流值从4.2 mA增加至5.54 mA。由表1中的实验数据可知，该传感器的输出电流随着被测压力值的增加而增大，且所测最大压力为1.2 kPa。

表1 压力传感器输出电流与压力测量值

图3 室温时的传感器测试实验曲线

以气体压力值为横坐标，传感器输出电流为纵坐标，将测试的实验数据标定曲线绘制如图3中曲线所示。采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线如图3中直线所示，并获得拟合直线的数学表达式。由图3曲线可知，在被测压力为0.3～1.2 kPa的范围时该传感器具有良好的线性，且传感器灵敏度为1.52 mA/kPa。

3.2 温度90℃时传感器的灵敏度

当被测气体温度为90℃时，未施加气缸推杆压力，气缸内被测气体的初始压力为0.18 kPa，此时压力传感器的输出电流为4.1 mA。对气缸推杆逐渐施加压力，气缸内被测气体的压力由0.18 kPa逐渐增加至0.6 kPa，压力传感器的输出电流值从4.1 mA增加至4.75 mA。传感器灵敏度的测试实验数据如表2所示。

将测试的实验数据标定曲线绘制如图4中曲线所示，采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线如图4中直线所示。根据拟合直线的数学表达式可知，该传感器的灵敏度为1.51 mA/kPa。

表2 压力传感器输出电流与压力测量值

比较室温和90℃两种温度状态下的气体压力测量，所标定传感器的灵敏度分别为1.52 mA/kPa和1.51 mA/kPa，两者差别不大。在被测气体压力小于90℃时，该压力传感器的灵敏度性能指标受温度影响不大。

图4 温度90℃时传感器测试实验曲线

4 结论

采用所搭建的标定系统对高温压力传感器进行了灵敏度测试实验。实验中分别以室温气体和90℃气体为被测介质，以压力传感器的检测输出电流和高精度推拉力计的压力值为横纵坐标，获得实验标定曲线，通过对实验数据的线性拟合直线分析传感器的灵敏度值。实验结果表明，压力传感器对于室温和90℃气体的压力测量灵敏度差别不大，约为1.5 mA/kPa。因此，对小于90℃温度的气体测量时，该压力传感器的灵敏度指标受温度影响不大。