CN109323796B - 一种全温区范围内压力传感器标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全温区范围内压力传感器标定方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、确定所需标定压力传感器的压力准确度等级；步骤二、确定所需标定压力传感器的标定环境、校准系统的准确度等级、压力校准点和校准循环次数；步骤三、选取节点温度，在测温范围内划分温度子区间；步骤四、在节点温度处，获得压力传感器在节点温度处的精度；步骤五、在节点温度处，获取P‑V的关系式P_i；步骤六、在全温区范围内进行压力测试，得到工作温度下的压力值；步骤七、根据节点温度T_i下的基本误差A_i和压力值计算公式，实现全温区范围内压力传感器的标定。本发明给出了相应的压力计算公式与误差评价方法，实现了压力传感器的全温区标定。

Description

一种全温区范围内压力传感器标定方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器测试标定方法。

背景技术

压力传感器的标定可依据国家颁布的相关通用规范、检定规程与性能不确定度计算方法等进行，有关压力传感器标定方面的专利集中在标定系统和标定装置上，并没有关于全温区范围压力传感器测量精度的检定方法。

发明内容

本发明基于温度对压力传感器精度的影响满足连续性假设，且在温度邻域内温度对压力测量结果的影响是线性的，提供了一种全温区范围内压力传感器标定方法，该方法能够实现压力传感器全温区范围内的标定。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种全温区范围内压力传感器标定方法，包括如下步骤：

步骤一、确定所需标定压力传感器的压力准确度等级；

步骤二、根据规范中该等级压力传感器的标定要求，确定所需标定压力传感器的标定环境、校准系统的准确度等级、压力校准点和校准循环次数；

步骤三、在测温范围内选取n个节点温度，将全温区划分为n+1个温度子区间；

步骤四、在节点温度T_i(i＝1,2,3…,n)处，按照步骤二的标定要求进行测试并计算如下指标：(1)满量程输出值y_F·S、(2)重复性误差ξ_S、(3)刻度误差ξ_k(或线性传感器的非线性误差ξ_L)；计算压力传感器的输入输出关系(V-P关系式)和基本误差A_i，获得压力传感器在节点温度处的精度；

步骤五、在节点温度T_i处，依据V-P关系式，获取P-V的关系式P_i；

步骤六、在全温区范围内进行压力测试时，比较压力传感器的实时工作温度和节点温度，确定工作温度所处的温度子区间，在温度子区间内根据节点温度的标定结果进行计算，得工作温度下的压力值，其中：

(a)当工作温度T等于节点温度T_i时，直接按照标定公式P_i(P-V)计算该温度下的压力值；

(b)当工作温度T小于最低温度时，优选地，在最低温度值的10％邻域内，采用最低温度计算该温度下的压力值，若超出最低温度值的10％邻域，则应考虑增加标定节点温度；

(c)当工作温度T大于最高温度时，优选地，在最高温度值的10％邻域内，采用最高温度计算该温度下的压力值，若超出最高温度值的10％邻域，则应考虑增加标定节点温度；

(d)当工作温度T介于节点温度T_i与T_i+1之间时，首先分别依据标定结果计算两个节点温度T_i与T_i+1下的压力值P_i与P_i+1，然后通过线性插值计算工作温度下的压力值：

步骤七、考虑工作温度所处的温度子区间，根据节点温度T_i下的基本误差A_i和步骤六的压力值计算公式，实现全温区范围内压力传感器的标定，最终获得实际工作温度下压力测量的最大误差。其中：

(a)工作温度T等于节点温度T_i

对于T＝T_i(i＝1,2,3…,n-1)，压力可利用节点温度计算式获得，压力测量最大偏差ΔP可以采用以下公式进行计算：

其中，ΔT为温度测量最大偏差；ΔP_i＝A_iP_FS为第i个节点温度下压力标定最大偏差，P_FS为压力测量量程；

对于T＝T_n，压力可利用节点温度计算式获得，压力测量最大偏差ΔP可以采用以下公式进行计算：

(b)工作温度T位于节点温度范围之外

对于T<T₁，利用第1个节点温度计算式外推计算压力，ΔP可以采用以下公式进行计算：

对于T>T_n，利用第n个节点温度计算式外推计算压力，ΔP可以采用以下公式进行计算：

(c)工作温度T介于区间(T_i,T_i+1)范围内

利用临近两个节点温度标定结果的线性插值计算压力，将步骤六(d)中的计算公式变换为：

根据误差传递公式，ΔP可以采用以下公式进行计算：

利用ΔP可以获得实际工作温度下压力测量的最大误差为：

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

本发明结合压力传感器标定的相关标准与要求，提出了全温区压力测量精度标定方法，给出了相应的压力计算公式与误差评价方法，实现了压力传感器的全温区标定。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例：

本实施例提供了一种全温区范围内压力传感器标定方法，所述方法具体实施步骤如下：

(1)选用压力传感器为GE公司Unik5000系列传感器，型号为PMP5023-TD-A3-CC-H0-PD，绝压传感器，量程0～15kPa，输出电压信号范围0～+5V，使用温度范围-55～+125℃，标称精度0.04％F.S.。根据压力传感器通用规范GJB4409-2011中的压力准确度等级(具体见表1)，确定所需标定压力传感器的压力准确度等级为0.05级。

表1

(2)根据通用规范要求，0.05级的压力传感器标定环境条件为：温度20±2℃；相对湿度：≤80％；大气压力：86kPa～106kPa。

根据通用规范要求，对于准确度等级高于0.05级(含0.05级)的传感器，压力标准器的基本误差的绝对值应不超过被试传感器基本误差限的1/2；除另有规定外，激励电源的稳定度应小于被试传感器基本误差限的1/5；除另有规定外，读数记录装置基本误差的绝对值应小于被试传感器基本误差限的1/5；其他试验设备，如真空计、数字式气压计(或标准气压计)、温度计、湿度计等，应按试验要求配备。与压力标准器配套使用的加压(或抽空)系统应在示值检定范围内可调；传感器与检定设备正确连接后，在试验环境条件下放置1h以上，试验前通电预热15～30min。

在本实施例中，共设定10个压力校准点，选定的检定压力值如表2所示。校准时，循环次数为4次。

表2

在本实施例中，所用到的压力标准器0.01级，量程25kPa；电源：直流稳压电源，量程25V；电压表：六位半数字多用表；惰性气源：高纯干燥氩气。

(3)测量精度评价温度范围可取为-40～+40℃。考虑压力敏感元器件低温与高温条件下工作特性的差异，选取5个节点温度：-40℃、-20℃、0℃、+20℃、+40℃，将全温区划分为六个温度子区间：子区I：小于-40℃，子区II：大于等于-40℃小于-20℃，子区III：大于等于-20℃小于0℃，子区IV：大于等于0℃小于+20℃，子区V：大于等于+20℃小于+40℃，子区VI：大于+40℃。选取节点温度如表3所示。

表3

(4)将压力传感器放入环境箱，按节点温度从低到高依次设定环境箱温度。当环境温度达到设定值时，保温2h，然后开始标定(标定前对压力传感器加电30min以上)。

针对压力传感器，优选JJG-860-1994中线性回归和拟合四次多项式的方法，利用标定数据按照上述方法得到线性与四次多项式拟合误差，见表4。根据线性拟合结果，有2个温度点(-40℃、+40℃)不满足压力传感器精度0.04％F.S.的要求。采用四次多项式拟合后，精度均满足0.04％F.S.的要求。

表4

(5)按照拟合成四次多项式的方法，依据V-P的计算值，获取P-V的关系式：

式中，C_j为节点温度T_i下的标定系数，P为所测的压力值，V为压力传感器输出电压值，J从0到4取值，是四次多项式每一项的次数，具体值见表5。

表5

(6)全温区范围压力测试。比较压力传感器的实时工作温度和节点温度，确定工作温度所处的温度子区间。在温度子区间内，根据节点温度的标定结果，并认为温度对压力测试结果的影响是线性的，计算可得工作温度下的压力值。其中：

(a)当工作温度T等于节点温度T_i时(i＝1,2,3,4,5)，直接按照标定公式P_i(P-V)计算该温度下的压力值；

(b)当工作温度T小于最低温度(子区间I)时，优选地，在最低温度值的10％邻域内，采用P₁计算该温度下的压力值，若超出最低温度值的10％邻域，则应考虑增加标定节点温度；

(c)当工作温度T大于最高温度(子区间VI)时，优选地，在最高温度值的10％邻域内，采用P₅计算该温度下的压力值，若超出最高温度值的10％邻域，则应考虑增加标定节点温度；

(d)当工作温度T介于节点温度T_i与T_i+1之间(i＝1,2,3,4)(子区间II～子区间V)时，首先分别依据标定结果计算两个节点温度T_i与T_i+1下的压力值P_i与P_i+1，然后通过线性插值计算工作温度下的压力值：

(7)考虑工作温度所处的温度子区间，根据各标定节点温度T_i下的误差指标A_i和步骤(6)的压力计算公式，提出全温区范围内压力传感器的标定方法，其中：

(a)工作温度T等于节点温度T_i

对于T＝T_i(i＝1,2,3,4)，压力为节点温度计算式，ΔP可以采用以下公式进行计算(考虑工作温度测量误差)：

对于T＝T₅，压力为节点温度计算式，ΔP可以采用以下公式进行计算：

(b)工作温度T位于节点温度之外

对于T<T₁，压力为第1个节点温度计算式外推，ΔP可以采用以下公式进行计算：

对于T>T₅，压力为第5个节点温度计算式外推，ΔP可以采用以下公式进行计算：

(c)工作温度T介于区间(T_i,T_i+1)

此时，压力为两个节点温度标定结果的线性插值，将公式(2)变换为：

根据误差传递公式有：

利用ΔP可以获得实际工作温度下压力测量的最大误差为：

通过上述验证表明，本发明提出的全温区范围内压力传感器的标定方法可以对压力传感器在全温区范围内进行标定。

Claims (7)

1.一种全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、确定所需标定压力传感器的压力准确度等级；

步骤二、根据规范中该等级压力传感器的标定要求，确定所需标定压力传感器的标定环境、校准系统的准确度等级、压力校准点和校准循环次数；

步骤三、在测温范围内选取n个节点温度，将全温区划分为n+1个温度子区间；

步骤四、在节点温度T_i处，按照步骤二的标定要求进行测试并计算如下指标：(1)满量程输出值y_F·S、(2)重复性误差ξ_S、(3)刻度误差ξ_k或线性传感器的非线性误差ξ_L；计算压力传感器的V-P关系式和基本误差A_i，获得压力传感器在节点温度处的精度；

步骤五、在节点温度T_i处，依据V-P关系式，获取P-V的关系式P_i；

步骤六、在全温区范围内进行压力测试时，比较压力传感器的实时工作温度和节点温度，确定工作温度所处的温度子区间，在温度子区间内根据节点温度的标定结果进行计算，得到工作温度下的压力值；

步骤七、考虑工作温度所处的温度子区间，根据节点温度T_i下的基本误差A_i和步骤六的压力值计算公式，实现全温区范围内压力传感器的标定，最终获得实际工作温度下压力测量的最大误差，所述全温区范围内压力传感器的标定方法如下：

(a)工作温度T等于节点温度T_i

对于T＝T_i，i＝1,2,3…,n-1，压力利用节点温度计算式获得，压力测量最大偏差ΔP采用以下公式进行计算：

其中，ΔT为温度测量最大偏差；ΔP_i＝A_iP_FS为第i个节点温度下压力标定最大偏差，P_FS为压力测量量程；

对于T＝T_n，压力利用节点温度计算式获得，压力测量最大偏差ΔP采用以下公式进行计算：

(b)工作温度T位于节点温度范围之外

对于T<T₁，利用第1个节点温度T₁计算式外推计算压力，ΔP采用以下公式进行计算：

对于T>T_n，利用第n个节点温度T_n计算式外推计算压力，ΔP采用以下公式进行计算：

(c)工作温度T介于区间(T_i,T_i+1)范围内

利用临近两个节点温度标定结果的线性插值计算压力，ΔP采用以下公式进行计算：

实际工作温度下压力测量的最大误差为：

2.根据权利要求1所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述步骤一中，优选根据压力传感器通用规范GJB 4409-2011确定所需标定压力传感器的压力准确度等级。

3.根据权利要求1所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述步骤四中，优选JJG-860-1994中线性回归和拟合四次多项式的方法获得压力传感器在节点温度处的精度。

4.根据权利要求1所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述P-V的关系式如下：

式中，C_j为节点温度T_i下的标定系数。

5.根据权利要求1所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述工作温度下的压力值的计算方法如下：

(a)当工作温度T等于节点温度T_i时，直接按照P-V关系式计算该温度下的压力值；

(b)当工作温度T小于最低温度时，在最低温度值的10％邻域内，采用最低温度计算该温度下的压力值；

(c)当工作温度T大于最高温度时，在最高温度值的10％邻域内，采用最高温度计算该温度下的压力值；

(d)当工作温度T介于节点温度T_i与T_i+1之间时，首先分别依据标定结果计算两个节点温度T_i与T_i+1下的压力值P_i与P_i+1，然后通过线性插值计算工作温度下的压力值：

6.根据权利要求5所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述(b)中，若超出最低温度值的10％邻域，则增加标定节点温度。

7.根据权利要求5所述的全温区范围内压力传感器标定方法，其特征在于所述(c)中，若超出最高温度值的10％邻域，则增加标定节点温度。