CN112484916B - 一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，校准前通过将密封腔内设置的温度传感器温度平均值作为贴片式压力传感器实际校准温度，校准过程中通过密封腔内设置的温度传感器监测校准点的温度稳定性，提升了校准过程中的测量准确性。本发明能够实现贴片式压力传感器在高低温设定温度下的响应特性校准工作。

Description

一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法

技术领域

发明涉及贴片式压力传感器技术领域，具体涉及一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法。

背景技术

贴片式压力传感器又称薄片式压力传感器，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，其一般采用片状结构，厚度仅有0.76mm，使用时，粘接在被测量压力环境中，具有体积小、过载能力强、粘接式安装、基座应变灵敏度低的特点。贴片式压力传感器工作原理是将被测压力的变化转换成制作在弹性元件上应变电阻阻值的变化，进而利用电桥电路获得与压力成一定关系的电信号输出，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校准。

目前，国内的一些压力传感器生产厂家和计量检测机构，虽然开展了一些压力传感器温度特性的研究工作，但温度仅局限在-40℃～60℃范围内，计量介质多为液体，连接形式为螺纹连接，对压力传感器的热平衡时间采用推荐保温时间，受传感器结构形式影响，实际校准温度无法准确获取，而且未形成标准的计量规范。鉴于贴片式压力传感器为片状结构，工作在气体压力绝压测量场合，且自身没有专用的密封连接接头，需将其放置于密封腔内，放置于高低温试验箱中，利用外部压力标准器对其施加标准压力进行校准。需考虑并解决以下问题，密封腔及贴片式压力传感器均为金属结构，处于高低温环境下，需对密封腔内部贴片式压力传感器的实际校准温度准确测量。根据大量的校准试验，探索出了一套适合贴片式压力传感器温度响应特性的校准方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，能够实现贴片式压力传感器在高低温设定温度下的响应特性校准工作。

本发明采用的技术方案如下：

一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，校准方法步骤如下：

步骤一，试验前常温温度T₁下，校准前对贴片式压力传感器预压，加压至贴片式压力传感器测量范围上限，稳定后向进气管路通大气；

步骤二，对贴片式压力传感器施加压力至绝压2kPa，待压力稳定后记录温度T₁时贴片式压力传感器输出值，记录完成后向进气管路通大气；

步骤三，对贴片式压力传感器施加压力至测量范围上限，待压力稳定后记录温度T₁时的贴片式压力传感器满量程输出值，记录完成后向进气管路通大气；

步骤四，重复步骤二、步骤三，获得在温度T₁时的贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值及满量程输出平均值；

步骤五，根据贴片式压力传感器选取的温度校准点，设定高低温试验箱的校准温度T₂，并利用密封腔内部的温度传感器对腔体内气体温度进行测量，待温度传感器达到T₂并稳定，恒温后开展后续校准；

步骤六，校准温度T₂时，校准前对贴片式压力传感器预压，加压至贴片式压力传感器测量范围上限，稳定后向进气管路通大气；

步骤七，在贴片式压力传感器的测量范围内至少均匀选取6个压力校准点，其中包括绝压2kPa和贴片式压力传感器满量程压力值；

步骤八，从选取的压力校准下限点绝压2kPa开始，对贴片式压力传感器逐点升压至测量上限，待每个压力校准点输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录校准温度T₂时的贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值；

步骤九，使输入压力在测量上限处产生波动，待输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录贴片式压力传感器的测量上限的反行程输出值；

步骤十，逐点降压至压力校准下限点绝压2kPa，待每个压力校准点输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录校准温度T₂时的贴片式压力传感器各压力校准点的反行程输出值；

步骤十一，通过贴片式压力传感器的各输出值获得温度响应特性。

进一步地，所述温度响应特性包括热零点偏差、热灵敏度偏差、非线性、重复性、迟滞。

进一步地，所述热零点偏差α的计算公式为：

为常温温度T₁时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为校准温度T₂时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为常温温度T₁时贴片式压力传感器满量程输出值的示值平均值。

进一步地，所述热灵敏度偏差β的计算公式为：

β＝|β_i|_max

β_i为贴片式压力传感器各压力校准点的热灵敏度偏移；

为在校准温度T₂时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；

为在常温温度T₁时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；i为测量点的次序数。

进一步地，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，将4只温度传感器温度平均值作为贴片式压力传感器实际校准温度。

进一步地，所述步骤五中在贴片式压力传感器实际工作温度范围内均匀选取5个温度校准点。

进一步地，进气管路、回气管路为螺旋管路，螺旋管路的进出端均各布置一只温度传感器，进气管路、回气管路放置于恒温槽中，利用温度传感器对螺旋管路中气体温度进行测量。

有益效果：

1、本发明可解决贴片式压力传感器在高低温条件下温度响应特性溯源难题，航空、航天、船舶、兵器等领域广泛应用于高低温试验环境下的贴片式压力传感器提供更可靠的计量保障。

本发明校准前通过将密封腔内设置的温度传感器温度平均值作为贴片式压力传感器实际校准温度，校准过程中通过密封腔内设置的温度传感器监测校准点的温度稳定性，提升了校准过程中的测量准确性。

2、进气管路、回气管路为螺旋管路，螺旋管路的进出端均各布置一只温度传感器，进气管路、回气管路放置于恒温槽中，利用温度传感器对螺旋管路中气体温度进行测量，通过对恒温槽的温度进行调节，实现密封腔与标准压力源温度隔离的目的，避免回温影响。

附图说明

图1为贴片式压力传感器温度特性校准装置连接管路；

其中，1-进气螺旋管路，2-第一温度传感器，3-第二温度传感器，4-第三温度传感器，5-第四温度传感器，6-第五温度传感器，7-第六温度传感器，8-贴片式压力传感器，9-第七温度传感器，10-第八温度传感器，11-回气螺旋管路，12-密封腔，13-恒温槽，14-高低温试验箱。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，采用的贴片式压力传感器温度特性校准装置连接管路如图1所示，高低温试验箱14用于提供高、低温试验环境；恒温槽13用于将压力标准器与高低温试验箱进行温度隔离；密封腔12用于为贴片式压力传感器8提供密封校准环境。

将贴片式压力传感器8置于密封腔12内部，并在密封腔12上、下、前、后四个位置均匀布置四只温度传感器对其内部环境温度进行测量。四只温度传感器分别为第五温度传感器6、第六温度传感器7、第七温度传感器9、第八温度传感器10。将密封腔12放置于高低温试验箱14中，以产生所需的高低温校准环境，待四只温度传感器温度到达预定校准温度并稳定后，将四只温度传感器温度平均值作为贴片式压力传感器8实际校准温度。

将进气管路及回气管路设计为螺旋管路，进气螺旋管路1进出端部各布置第三温度传感器4、第四温度传感器5、回气螺旋管路进出端部各布置第一温度传感器2、第二温度传感器3，将螺旋管路放置于恒温槽13中，利用温度传感器对螺旋管路中气体温度进行测量，通过对恒温槽13的温度进行调节，实现密封腔12与标准压力源温度隔离的目的。

压力测量范围(2～500)kPa，测量不确定度U＝0.05％(k＝2)，温度范围(-50～100)℃，温度均匀度±1℃，温度稳定度±0.5℃。

校准步骤如下：

a)试验前常温20℃±2℃温度T₁时校准前预压：利用压力标准器加压至贴片式压力传感器8测量范围上限，稳定1min后，缓慢向进气螺旋管路1通大气，连续进行3次；

b)利用压力标准器为贴片式压力传感器8施加压力至绝压2kPa，待压力稳定后记录温度T₁时贴片式压力传感器2kPa输出值近似零点示值Y_Li(T₁)，待数据记录完成后缓慢向进气螺旋管路1通大气；

c)利用压力标准器为贴片式压力传感器8施加压力至测量范围上限，待压力稳定后记录温度T₁时的贴片式压力传感器满量程输出值Y_PSi(T₁)，待数据记录完成后缓慢向进气螺旋管路1通大气；

d)按b)～c)条步骤重复进行3次，获得在温度T₁时的贴片式压力传感器2kPa输出值的示值平均值及满量程输出平均值

和

e)根据贴片式压力传感器8选取的温度校准点，在贴片式压力传感器8实际工作温度范围内均匀选取五个温度校准点，设定高低温试验箱的校准温度T₂，并利用密封腔内部的四只温度传感器对腔体内气体温度进行测量，待温度传感器达到T₂℃±1℃，并稳定，待恒温30min后方可开展后续校准；

f)校准温度T₂时校准前预压：利用压力标准器加压至贴片式压力传感器8测量范围上限，稳定1min后，缓慢通大气，连续进行3次；

g)在贴片式压力传感器8的测量范围内至少均匀或合理地选取六个校准点，其中包括绝压2kPa和贴片式压力传感器满量程压力值；

h)从选取的压力校准下限点绝压2kPa开始，利用压力标准器为贴片式压力传感器8逐点平稳地升压至测量上限，待每个压力校准点的压力标准器输出压力稳定及密封腔内部的四只温度传感器输出稳定后，记录校准温度T₂时的贴片式压力传感器8各校准点正行程输出值；

i)使输入压力在测量上限处产生一明显的波动，待压力标准器输出压力稳定及密封腔内部的四只温度传感器输出稳定后，记录压力传感器的测量上限的反行程输出值；

j)逐点平稳地降压至选取的压力校准下限点绝压2kPa，待每个压力校准点的压力标准器输出压力稳定及密封腔内部的四只温度传感器输出稳定后，记录温度T₂时的贴片式压力传感器8各校准点的反行程输出值。校准过程中应平稳的升压或降压；

k)正行程和反行程往返校准一次为一个循环，按h)～j)条步骤重复进行3次，通过贴片式压力传感器8的各输出值获得温度响应特性，完成校准工作。

温度响应特性包括热零点偏差、热灵敏度偏差、非线性、重复性、迟滞。

其中，热零点偏差α的计算公式为：

为常温温度T₁时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为校准温度T₂时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为常温温度T₁时贴片式压力传感器满量程输出值的示值平均值。

热灵敏度偏差的计算公式为：

β＝|β_i|_max

β_i为贴片式压力传感器各压力校准点的热灵敏度偏移，β为贴片式压力传感器的最大热灵敏度偏移；

为在校准温度T₂时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；

为在常温温度T₁时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；i为测量点的次序数。

非线性、重复性、迟滞按照现有公式进行计算。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，校准方法步骤如下：

步骤一，试验前常温温度T₁下，校准前对贴片式压力传感器预压，加压至贴片式压力传感器测量范围上限，稳定后向进气管路通大气；

步骤二，对贴片式压力传感器施加压力至绝压2kPa，待压力稳定后记录温度T₁时贴片式压力传感器输出值，记录完成后向进气管路通大气；

步骤三，对贴片式压力传感器施加压力至测量范围上限，待压力稳定后记录温度T₁时的贴片式压力传感器满量程输出值，记录完成后向进气管路通大气；

步骤四，重复步骤二、步骤三，获得在温度T₁时的贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值及满量程输出平均值；

步骤五，根据贴片式压力传感器选取的温度校准点，设定高低温试验箱的校准温度T₂，并利用密封腔内部的温度传感器对腔体内气体温度进行测量，待温度传感器达到T₂并稳定，恒温后开展后续校准；

步骤六，校准温度T₂时，校准前对贴片式压力传感器预压，加压至贴片式压力传感器测量范围上限，稳定后向进气管路通大气；

步骤七，在贴片式压力传感器的测量范围内至少均匀选取6个压力校准点，其中包括绝压2kPa和贴片式压力传感器满量程压力值；

步骤八，从选取的压力校准下限点绝压2kPa开始，对贴片式压力传感器逐点升压至测量上限，待每个压力校准点输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录校准温度T₂时的贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值；

步骤九，使输入压力在测量上限处产生波动，待输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录贴片式压力传感器的测量上限的反行程输出值；

步骤十，逐点降压至压力校准下限点绝压2kPa，待每个压力校准点输出压力稳定及密封腔内部的温度传感器输出稳定后，记录校准温度T₂时的贴片式压力传感器各压力校准点的反行程输出值；

步骤十一，通过贴片式压力传感器的各输出值获得温度响应特性；

进气管路、回气管路为螺旋管路，螺旋管路的进出端均各布置一只温度传感器，进气管路、回气管路放置于恒温槽中，利用温度传感器对螺旋管路中气体温度进行测量。

2.如权利要求1所述的贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，所述温度响应特性包括热零点偏差、热灵敏度偏差、非线性、重复性、迟滞。

3.如权利要求2所述的贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，所述热零点偏差α的计算公式为：

为常温温度T₁时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为校准温度T₂时贴片式压力传感器绝压2kPa输出值的示值平均值；

为常温温度T₁时贴片式压力传感器满量程输出值的示值平均值。

4.如权利要求2所述的贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，所述热灵敏度偏差β的计算公式为：

β＝|β_i|_max

β_i为贴片式压力传感器各压力校准点的热灵敏度偏移；

为在校准温度T₂时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；

为在常温温度T₁时，贴片式压力传感器各压力校准点正行程输出值的示值平均值；i为测量点的次序数。

5.如权利要求1所述的贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，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，将4只温度传感器温度平均值作为贴片式压力传感器实际校准温度。

6.如权利要求1所述的贴片式压力传感器温度响应特性校准方法，其特征在于，所述步骤五中在贴片式压力传感器实际工作温度范围内均匀选取5个温度校准点。

Images