贴片式压力传感器温度响应特性研究

高炳涛 胡凤岩 孙凤举 钟 山 王慧龙 杜光宇

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京卫星制造厂有限公司，北京 100094)

1 引 言

贴片式压力传感器是采用薄膜/厚膜/半导体应变电阻为制造工艺，将其制作在弹性元件上组成的压力传感器，其构造图如图1所示，主要由应变电阻、弹性元件、基座、外壳等组成。贴片式压力传感器粘贴在产品表面，实时监测产品表面压力的变化，主要用于飞行试验、发动机试验、风洞试验等试验过程，在航空、航天、船舶、兵器等领域广泛应用，且应用场合普遍处于高低温环境下，由于贴片式压力传感器工作原理是基于压阻效应，弹性元件及应变电阻受工作环境温度的改变，相同压力作用下其输出会发生改变，因此需对贴片式压力传感器温度响应特性进行研究。

图1 贴片式压力传感器构造图

2 校准方案及校准装置

2.1 校准方案

贴片式压力传感器温度响应特性校准方案如图2所示，全温区贴片式压力传感器校准腔放置于高低温试验箱中以获取所需的高低温校准环境，贴片式压力传感器放置于全温区贴片式压力传感器校准腔内部，并在腔体上、下、前、后四个位置均匀布置4只温度传感器，待4只温度传感器达到预定校准温度并稳定后，以4只温度传感器的平均值作为实际校准温度。利用标准压力源对全温区贴片式压力传感器校准腔内部施加标准气体压力，对贴片式压力传感器输出进行测量，以此完成对贴片式压力传感器在(-50～100)℃温度范围内特定温度点下温度响应特性的校准。

图2 贴片式压力传感器温度响应特性校准示意图

2.2 校准装置

利用自研的一套贴片式压力传感器温度响应特性校准装置对贴片式压力传感器在-50℃～100℃温度范围内特定温度点下温度响应特性进行研究，贴片式压力传感器温度响应特性校准装置技术指标如下：

(1)测量范围：绝压(2～500)kPa；

(2)压力测量不确定度：

U

=0.05%(

k

=2)；

(3)密封腔内温度范围：(-50～100)℃；

(4)密封腔内温度均匀度：±1℃；

(5)密封腔内温度稳定度：±0.5℃。

如图3所示，贴片式压力传感器温度响应特性校准装置包括标准压力源、高低温试验箱、温度隔离压力连接管路、全温区贴片式压力传感器校准腔及被校准贴片式压力传感器共5部分。其中，标准压力源用于为贴片式压力传感器提供标准压力值；高低温试验箱用于提供高低温校准环境；全温区贴片式压力传感器校准腔内部放置被校准贴片式压力传感器为其提供可靠的密封环境，并在密封腔上、下、前、后四个位置均匀布置4只温度传感器对其内部环境温度进行测量；温度隔离压力连接管路实现标准压力源与密封腔之间的温度隔离，防止调压过程中高低温气体回流对标准压力源输出标准值产生影响，下文对校准装置各组成部分进行简单介绍。

图3 贴片式压力传感器温度响应特性校准装置示意图

2.2.1

标准压力源

标准压力源作为贴片式压力传感器温度响应特性校准装置的压力发生装置，为贴片式压力传感器校准提供标准压力值，其主要包括标准绝压气体压力传感器、压力调节和控制机构、管路系统以及显示单元等几个部分。其中，标准绝压气体压力传感器采用美国Paroscientific公司6000系列石英晶体谐振式压力传感器，为系统提供标准压力值；压力调节和控制机构主要由调压阀、保护阀、管路阀门、以及消声器等组成，实现对(2～500)kPa.a绝压压力的调节和控制，如图4所示。

图4 标准压力源控制气路组成图

2.2.2

全温区贴片式压力传感器校准腔

如图5所示，为全温区贴片式压力传感器校准腔结构，其内腔尺寸直径φ80mm，高度为110mm，采用紫铜材料加工而成，具有良好的热传导性能，确保腔体内的温度稳定度和均匀性要求，该结构包括接线电路组件、校准腔内压板、螺纹压板、环形压片、大环形密封圈、校准腔腔体和温度传感器共七部分，校准腔腔体对称位置布置4个温度传感器，对贴片式压力传感器校准时的环境实际温度进行测量。

图5 贴片式压力传感器校准腔

2.2.3

温度隔离压力连接管路

温度隔离压力连接管路由压力螺旋管路、温度传感器、恒温槽组成。实现对标准压力源与全温区贴片式压力传感器校准腔之间的温度隔离，防止调压过程中高低温气体回流对标准压力源输出标准值产生影响。压力连接管路设计为螺旋式结构，并将其放置于恒温水浴中，通过增加表面接触面积，实现管路热传导及压力调节过程中高低温气体温度影响的隔离。为了对恒温水浴温度进行合理设定并对温度隔离效果测试，在进气与回气螺旋管路两端分别布置温度传感器对管路中的气体温度进行测量与过程监控监控，如图6所示。

图6 温度隔离压力连接管路

3 温度响应特性分析

选取ENDEVCO公司的量程分别为350kPa.a贴片式压力传感器(编号：K80084#)分别在20℃、-50℃、50℃、100℃4个温度校准点进行校准。依据《JJG860-2015压力传感器(静态)检定规程》对贴片式压力传感器输出进行计算分析，获得该传感器在不同校准温度点下的灵敏度、非线性、迟滞、重复性等指标，结果汇总如表1所示。

表1 不同校准温度点下贴片式压力传感器指标对比表

由表1可知，贴片式压力传感器在不同校准温度点下，非线性、迟滞和重复性技术指标受影响变化不大，而理论零点输出及灵敏度均产生变化，理论零点输出与温度呈现一定的线性关系，线性度约为1%，灵敏度随温度变化未呈现一定的线性关系。为了进一步对贴片式压力传感器温度响应特性进行分析，定义热零点偏差及热灵敏度偏差参数。

(1)热零点偏差

在-50℃～100℃温度范围内某个校准温度点，贴片式压力传感器输出零点示值与常温20℃±2℃下的输出零点示值之差与常温20℃±2℃下满量程输出值的比值，由于绝压零点无法获得，以绝压2kPa作为贴片式压力传感器的近似零点。按公式(1)计算贴片式压力传感器热零点偏差

α

。

(1)

(2)热灵敏度偏差

在-50℃～100℃温度范围内某个校准温度点下与常温20℃±2℃相比，贴片式压力传感器在各压力校准点正行程输出值之差与常温20℃±2℃下满量程输出值的比值。分别按公式(2)、公式(3)计算贴片式压力传感器各压力校准点的热灵敏度偏移

β

和最大热灵敏度偏差

β

。

(2)

β

=|

β

|

(3)

式中：

β

——贴片式压力传感器的最大热灵敏度偏差，%FS。

依据公式(1)～(3)对贴片式压力传感器热零点偏差及热灵敏度偏差进行计算，结果如表2所示。

表2 不同校准温度点下贴片式压力传感器热零点偏差及热灵敏度偏差对比表

由上表2可知，贴片式压力传感器在不同校准温度点，热零点偏差及热灵敏度偏差与温度并未呈现一定的线性关系。

4 结束语

通过开展贴片式压力传感器温度响应特性研究，在不同校准温度点，对贴片式压力传感器进行校准，并对校准数据进行分析，结果表明，贴片式压力传感器非线性、迟滞和重复性技术指标受温度影响变化不大，然而，与常温输出相比，其工作直线的截距和斜率发生了变化，因此，根据贴片式压力传感器实际工作温度进行校准是确保其输出精度的有效方法。