浅谈静态压力传感器的计量检定

冯齐斌，姜毅韡，周宇仁

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

压力传感器（静态）检定规程JJG860-2015对量程为-0.1MPa～500MPa的绝压、表压和差压传感器检定做了明确的说明。静态压力的定义不同于动态压力，其不随着时间变化而缓慢的变化，由压力敏感元件和信号处理单元组成，能感受压力值并将其按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号，压力输入至压力敏感元件和信号处理单元产生输出信号值。对压力传感器（静态）的检定技术指标主要包括：准确度、重复性、迟滞、线性度、零点漂移、周期稳定性、静压影响和曲线符合度这些项的技术指标[1]。

1 检定前准备

为保证送检压力传感器的计量准确，需要将送检设备在检定环境下放置2h以上，方可进行检定。对于采用液体介质（如油）的压力标准器，安装时尽量排除管路中的残留空气。同时，应注意应尽量使被检压力传感器的感压面与压力标准器的参考面在一个水平面上，以尽可能地减少高度差引起的计量误差。具体高度差的修正方法为：检定时，如若不能将压力标准器和压力传感器放置在同一高度水平面上，高度差高于限值，则需要加上因高度差引起的压力修正值[2]。

h——参考位置的高度差值，单位：m。

a——传感器的准确度等级指标，单位：%。

PFS——被检传感器的输入量程，单位：Pa。

ρ——检定用介质的密度值，单位：kg/m3。

g——检定地点的重力加速度，单位：m/s2。

ΔP——因高度差引起的压力修正值，单位：Pa。

检定系统完好的安装以后，上电预热30min，对送检静态压力传感器做检定前的预压，正表压传感器预压压力为测量范围上限值，负表压传感器预压压力为测量范围下限值，差压传感器为额定工作压力值、绝压传感器预压压力为测量范围的上限和下限值[3]。

2 检定计算

2.1 零点漂移

在规定的环境条件下，传感器通电预热和预压操作后，记录压力传感器的零点初始值，然后每间隔15min记录一次送检压力传感器的输出值，从记录开始连续进行的时间不低于1h，然后按照规程中的计算公式对零点漂移值进行计算，判断其值是否符合检定要求。

|yi-y0|max是所记录的各个零点输出值与初始零点输出值之差的绝对值的最大值。

yFS是满量程输出值。

2.2 工作曲线计算

2.2.1 校准曲线

压力传感器在整个测量范围内有m个检定点，并进行n次循环检定。压力检定的正行程和反行程往返一次为一个循环，压力传感器至少要进行3个循环的检定。各个检定点的正反行程输出值的算数平均值所连接的曲线分别称为正行程校准曲线和反行程校准曲线[4]。

2.2.2 工作直线

JJG860-2015压力传感器（静态）检定规程规定：可以采用端点平移直线和最小二乘法直线作为压力传感器的工作直线。端点平移直线计算的连接方程公式为[5,6]：

pm——实际检定上限点的压力值。

p1——实际检定下限点的压力值。

ym——实际检定上限点输出值的平均值。

y1——实际检定下限点输出值的平均值。

p——压力传感器在其测量范围内的压力值。

压力传感器工作直线采用最小二乘法直线的方程，系数a和系数b是将m个检定点，n次循环检定的数据进行二元一次的数据拟合得到的，然后将按下述公式计算：

2.3 传感器技术指标计算

2.3.1 灵敏度

压力传感器的灵敏度为传感器工作直线的斜率，工作直线包括端点平移直线和最小二乘法直线斜率值[7-9]。

2.3.2 满量程输出值

压力传感器的量程输出值，按公式计算：

pmax为静态压力传感器测量范围上限压力值；pmin为静态压力传感器测量范围下限压力值。

2.3.3 重复性

压力传感器的正行程s正i和反行程s反i的数据标准偏差计算公式如下所示，而在传感器在整个测量范围内的标准偏差s计算出来之后，需除以上述得到的传感器满量程输出值yFS并乘以3，得到的数值为其随机误差的极限值，作为静态压力传感器的重复性ξR。

2.3.4 迟滞

在计算静态压力传感器的检定点中，同一个检定点正行程输出值的算术平均值与反行程输出值的算术平均值之差，作为此检定点的迟滞值，并将各个检定点所计算得到的迟滞值取最大值作为静态压力传感器的迟滞值[10]。

2.3.5 线性度

计算各个检定点输出值的算数平均值与所选定工作直线的差值取最大，再除以传感器满量程输出值yFS作为压力传感器的线性度值。

3 检定实例

对一个静态压力传感器进行计量检定，首先对压力传感器进行通用技术要求检查，包括外观、密封性和绝缘电阻测量，检定前将压力传感器在检定环境下放置2h以上，再进行后续检定操作，将送检传感器连接稳压直流电源DC24V，预热通电30min，且施加预压压力60MPa，稳定1min以后缓慢连通大气，此预加压过程循环操作3次。计量检定的环境温度一般为15℃～35℃，相对湿度为45%～75%，在被检传感器不施加激励电源的情况下，使用绝缘电阻表，将静态压力传感器的电源端子和输出端子分别短接，用绝缘电阻表分别测量电源端子与传感器的接地端子外壳、电源接线端子与输出端子、输出端子与接地端子外壳之间的绝缘电阻，需要注意的是：测量时应待仪表稳定10s之后再进行读数。应用一台量程为（1～60）MPa，准确度等级为0.01的活塞压力及作为测量标准器，对零点漂移测量0min、15min、30min、45min和60min的传感器输出值分别为5.1057mV、5.1058mV、5.1058mV、5.1057mV、5.1058mV计算的零点漂移测量值为0.002%。压力传感器的量程为（0～60）MPa，所选择的检定压力点分别为 0MPa、6MPa、12MPa、18MPa、24MPa、30MPa、36MPa、42MPa、48MPa和60MPa，并进行3次循环测量（正行程+负行程），以第1次循环测量为例，正行程测量 值 为 5.1057mV、15.0078mV、24.9093mV、34.8116mV、44.7135mV、54.6154mV、64.5172mV、74.4205mV、84.3222mV、104.1247mV；负行程测量值为5.1057mV、15.0079mV、24.9094mV、34.8117mV、44.7136mV、54.6155mV、64.5173mV、74.4205mV、84.3225mV、104.1250mV。第2次和第3次的循环测量值类似，拟采用端点平移直线作为工作直线方程，得到被检静态压力传感器的灵敏度为1.65，重复性0.02%，迟滞0.02%，线性（曲线符合度）0.02%，基本误差0.021%，检定结论是符合0.1级。

表1 压力传感器检定记录Table 1 Pressure sensor verification record

4 结论

本文阐述了依照JJG860-2015《压力传感器（静态）检定规程》实现静态压力传感器的检定过程，介绍了传感器检定的前期准备和对实测检定数据的计算过程。检定准备过程中需要做预加压并记录传感器的零点漂移、正反行程的校准曲线和工作直线，进而得到传感器的灵敏度、重复性、迟滞和线性度。经过对一个静态压力传感器的实测，依照JJG860-2015检定规程的计算流程可以准确地实现静态压力传感器的计量检定，达到了预期的检定效果。