压力传感器实时校准方法分析

[摘 要]文章描述了压力测试系统压力传感器实时校准的几种方法。具体介绍了PSI公司的PSI780B、PSI8400和PSI7010/16电子扫描压力测量系统中压力传感器实时校准装置系统组成、工作原理和部件功能。通过讨论和分析，为从事压力测量的设计人员提供理论和试验参考。

[关键词]多通道；压力测试系统；传感器；实时校准

[中图分类号]TP212.12 [文献标志码]A [文章编号]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

在航空发动机压力测试中，压力传感器校准是一个不可缺少的重要环节。试验一般要求测点多，而同一截面压力范围相当，并且由于发动机自身的复杂结构、旋转部件等因素决定了待测压力参数的脉动特性，要求测试同步。因此，压力测试必须每个测点对应一个压力传感器。这样传感器用量肯定较多。对于多个传感器如要逐个进行人工“给压力记数据”的方式进行校准，不仅费工费时，数据事后处理也很繁琐。且这样重复性工作多了，很易疲劳出错，影响传感器的校准精度。另外，从传感器本身看，其输入输出特性并非只需校准一次即可长期保证使用精度，而是随温度等环境条件的变化而变化，对于时温漂较大传感器表现尤为突出。经过一段时间的使用之后，其特性曲线系数必须重新校准，以确定新系数才能保证测量精度。这样，反反复复校准的工作量是巨大的。为此，国际国内从事测试仪器研制的单位研制出了几种具有现场实时校准功能的压力测量系统，正在为航空发动机或其他大型风洞试验等高科技领域所广泛采用，成为多点压测量技术的主流。文章就PSI780B、PSI8400、PSI9010/9016等几种系统中实时校准这一关键技术进行分析。

1 传感器校准概述

1.1 校准必要性

校准可确保从设备获取的测量值接近真实值。工业和科学领域，准确测量参数以设计获得可重复结果的过程或实验非常重要。在某些情况下，参数初始条件的微小变化可能会导致结果发生较大变化，因此准确的测量至关重要。具体包括以下方面：①通过校准，可以确保校准的产品和组件按预期运行并且可以安全使用。②经过校准的组件和设备将可靠地生产标准化产品。③缩短生产时间。当质量组件可用时，不会浪费时间更换超出公差的组件。④确保符合行业法规和公司认证。⑤校准将允许可靠地报告产品精度。⑥提高一致性和可靠性。按照适当规格制造的产品性能更好，使用寿命更长。⑦漂移补偿。漂移误差通过定期校准得到纠正。⑧预防和预测过程故障。可靠且准确的传感器可以检测到逐渐超出公差的过程条件。

1.2 校准原理

压力传感器校准是对其输出信号进行校正，以提高测量精度和可靠性。传感器的校准原理是在传感器校准时，将传感器的输出值和标准测量值进行比对，通过调整传感器的参数来消除误差，使传感器的输出值与实际测量值一致。

2 压力传感器校准方法

2.1 常用校准方法

2.1.1 静态校准法

静态校准法需要将压力传感器与已知值进行对比，包括负载或称重仪器等。该方法的优点在于测量简便，但缺点是校准过程需要使用其他仪器，同时需要注意环境因素对测量结果的影响。

2.1.2 动态校准法

动态校准法需要通过实际场景下的应用测试来比对，通常需要使用标准压力传感器、压力泵及信号发生器等。该方法的优点在于能够模拟实际应用中的压力波动情况，对压力传感器的稳定性和响应时间的检测更为准确。

对于稳态用压力传感器通常采用静态校准方法，但由于在实际实验过程中压力测点多，传感器用量大，拆装难度高，试验现场对传感器的稳定性和时间响应方面也提出了更严格的要求，校准工作量也随之增大。针对这种情况，考虑采用多点实时校准的方法。

2.2 实时校准技术共同点

（1）采用“多点校准压力”进行校准以获得传感器曲线方程。在传感器精度中，非线性误差占了较大比重，一般在±（0.1～0.2）%F.S，采用二次及以上曲线，其误差可减少±0.05%F.S。

（2）多路（气动切换）校准阀的研制和应用使传感器校准无需把传感器从测量气路中分离出来，就能实现校准与测量两位置方便切换。

（3）压力校准均采用±0.05%F.S及以上高精度的压力传感器或标准压力计。

（4）联机校准。联机校准时用0.7 MPa左右的控制压力把校准阀推到校准位置，随后施加给定的校准压力PCAL给被校传感器。由计算机采集传感器输出的电信号U，然后通过PCAL与U的函数关系p=f（U）求得相关的系数，以确定这一函数关系式。校准完成后，控制压力把校准阀推回到测试位置。

2.3 校准现状

中国航发湖南动力机械研究所（以下简称“湖南动力机械所”）目前使用的是美国Ruska公司的活塞压力计压力校准装置，该设备精度高，准确度等级为±0.0035%，且操作简单，能满足湖南动力机械所对压力测试设备校准的精度要求。但该设备校准时配套设备较多，环境要求高，且需使用电脑端软件进行操作，很难进行现场实时校准。

3 常用的实时校准方法

3.1 PSI780B压力测量系统校准方法

湖南动力机械所在1990年、1991年引进了2套PSI780B系统，为其发动机压力测量发挥了重要作用。系统中的压力实时校准技术代表着压力校准的先进水平，其压力校准单元（PCU）如图1所示。

图中EV1～EV2为气控电磁阀，R1～R2为复合调压阀。从外面提供电0.7 MPa气源给压力校准单元。部件功能如下。

（1）控制压力P1、P2，实现用气动方式将传感器组件接通到校准位置或工作位置。

（2）用复合调压器（R1～R3）。手动选择一种量程内的“三点校准压力”一般调定在0、1/2PFS、PFS（PFS为满量程压力）。

（3）气控电磁阀（EV1～EV5）。控制信号顺序接通气控电磁阀EV1～EV5，发现被校传感器的工作与校准位置切换，并通过校准端口输出“三点校准压力”给压力传感器组件。

（4）数字石英传感器。实现对校准压力PCAL的准确测量，即给出压力真值。

利用“三点校准压力”的方法对传感器进行校准，通过系统计算单元处理，获得各传感器的二次系数并以此系数实现对被测压力的测量。

3.2 PSI8400压力测量系统校准方法

PSI8400是PSI公司最新发展的系统，采用“五点校准”方式。与PSI780B比较，其显著的不同点在于校准气动调压方法发生了变化，即由手动复合调压发展为压力伺服阀为基础的自动无级调压方式。其原理如图2所示。

PSI8400由高精度石英晶振压力传感器（精度：±0.02%FS）、硅压阻传感器S100DH和压力伺服阀组成闭合回路，受单片微机HD64180控制，在校准口输出精度为±0.02%F.S的标准压力。利用这种方式，“5个校准压力”不需要通过电磁阀一路路的施加压力，而是利用单片机闭路反馈调节压力伺服阀输出压力，大幅简化了气路结构。

另外，被校准传感器的系数处理，是用四次方程求解得到的。

3.3 PSI9010/9016校准方法

PSI9010/9016校准方法不同于PSI780B和PSI8400，是一种数字温度补偿型压力校准方法。其设计思想是基于硅压阻传感器受温度影响较大，于是在系统设计时，选用“双参数”硅压阻传感器（能测p、t）。将传感器系数与温度的关系通过实验的方法在出厂前确定，存于传感器的E2PROM中。通过校零（REZERO）和间距校准（SPAN）修正零位、非线性和温度热影响。

校准时经常校零，3～6个月给一个满程标准压力进行间距（SPAN）校准，就能满足精度要求。

DSY128是国产电子扫描多点压力测量系统，类似PSI780B的测压设备。校准方法与PSI780B相同，也是“三点校准”压力标准，采用浮坏球压力计、振动简传感器和数字石英传感器作为压力标准。另外，如果被测传感器的正反对称性较好，还可以利用反向加压校准正向测压的方法。

考虑采用反向加压校准正向测压，是由于在正向压力校准后必须通过校准切换阀将压力模块的校准状态切换至测量状态，而压力模块中校准切换阀加工难度较大，给校准工作增加难度。由于压力传感器正向和反向均为密封状态当被测传感器正反对称性较好时，可在传感器段给定一个反向压力校准，待校准完成后将传感器校准压力完全泄压，之后就可在正端直接进行测量，由此省掉校准切换阀这一步骤。

4 结论

通过上述对目前多点压力传感器几种实时校准技术进行的分析，其共同点是明显的，可得到下面几点结论和建议。

（1）要建立具有实时校准功能的压力测试系统，需要研制出能满足各种压力条件下的多路校准阀。因为多路校准阀是实时校准系统的关键部分，为现场校准方法提供了必要条件。

（2）测压系统如果增加现场实时校准功能，所需要的测量传感器的技术指标可以降低，只要在测试前进行校准，修正传感器的温漂误差，就能使测压系统具有较好的短时间精度特性。精度可做到优于±0.1%F.S，这样既节省组建测压系统经费，又保证测压精度。

（3）实时校准系统建议采用PSI9010/9016系统的形式，其技术水平较高，但会受到无“双参数”传感器的限制。随着我国传感器的发展，这一方法可借鉴。

参考文献

[1] 刘迎春，叶湘滨.传感器原理、设计与应用[M].长沙：国防科技大学出版社，2004.

[2] 王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2004.

[3] 高存贞.国外传感器技术的发展概况和趋势[M].微电子学与计算机，1991，8（21）：48-51.