CN113029508B - 一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，包括芯体基座和连接在芯体基座两侧的盖板，连接为一体后的结构为六面形柱体；所述芯体基座上沿着长度方向设置有若干个温度传感器，相互两个温度传感器之间设置有一个压力传感器，沿着芯体基座的高度方向、压力传感器一侧是参考压力端，另一侧是测试压力端；本发明通过在电路中外接温度补偿电阻，以及利用与压力传感器芯片紧邻的温度传感器芯片所测得的各压力传感器芯片的实时温度，对压力传感器测值进行精细化数字温度补偿修正这两种温度补偿方式，降低了风洞试验过程中环境温度变化对压力测量精准度的影响，满足了风洞试验模型底部压力测量的快速精准需求，进而提升了风洞试验的运行效率和数据质量。

Description

一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及到为风洞试验中用于模型底部压力测量的一种微型组合式压力传感器。

背景技术

风洞试验时需快速准确地获取飞行器模型底部多个压力测点在风洞试验环境中随模型迎角的压力变化情况。目前，对该压力的测量一般采用多个独立的压力传感器测得。这样的测量方式存在以下几个问题：

一是模型底部附近空间有限，这些多个独立的压力传感器设备体积较大，很难实现压力测量设备的抵近安装，使得测量气路的管路较长，进而导致试验中较低底压的压力传导时间相应变长。极端情况下，压力传导时间可达到10秒，不得不采用延长试验阶梯的压力稳定时间的方式来换取底压测量的精准度，极大影响了风洞试验数据的精准度和试验的效率；

二是风洞试验时，特别是超声速风洞试验时，受风洞温度变化范围较大的影响，常规压力传感器的精准度将下降到0.3%左右，无法满足先进飞行器风洞试验底压测量精准度需求；

三是模型底部压力的测量多为4～8个压力测点，需在狭小的支杆穿线孔中安装敷设多组复杂的电气路线缆，因空间狭小、操作不便而带来的线路缠绕挤压的影响、风洞试验振动的影响、模型机构运动牵扯的影响等，都使得风洞试验时底压测量设备的故障率普遍较高，影响了风洞试验的顺利进行。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前风洞试验中模型底部压力测量所用传感器存在的尺寸较大，无法抵近安装，压力传导迟滞严重、风洞温度变化使得测压精准度下降严重、电气路连接复杂、故障率偏高等问题。

本发明提供了一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，通过将多只压力传感器芯片、温度传感器芯片的集成组合，以及适用于柱型穿线孔安装的外形结构及电气路的优化设计等，实现多只底压传感器的小型化，以便于在风洞模型支杆孔内的安装敷设，达到压力传感器抵近安装、缩短测量气路的目的；

本发明同时通过外接温度补偿电阻，以及利用传感器实时测定的温度数据，对压力传感器进行温度漂移补偿这两种温度补偿方式，确保了压力传感器在变温环境下的测量精准度；而传感器集成化的电气路设计，改善了过去多只单个压力传感器电气路零乱的铺设状态，提高了底压测量的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，所述传感器包括芯体基座和对称连接在芯体基座两侧的盖板，基座与盖板连接为一体后的结构为六面形柱体，

所述芯体基座上沿着长度方向设置有若干个通孔，每一个通孔内设置一个压差型压力传感器芯片，所有压力传感器芯片同向设置在通孔内，沿着芯体基座的高度方向、压力传感器芯片一侧是参考压力端，另一侧是测试压力端，相邻两个压力传感器之间设置一个温度传感器；

所述盖板包括一块测量气路盖板和一块参考气路盖板，所述测量气路盖板上与压力传感器芯片对应的位置处设置有密封槽，芯体基座和测量气路盖板盖合后，一个压力传感器芯片的测试压力端对应设置在一个密封槽内，所述测量气路盖板内设置有若干个气路，每一个密封槽通过一个独立的气路与外部连通；

所述参考气路盖板上与芯体基座连接的一面上设置有内腔，所述内腔与芯体基座端面之间构成密封腔体，所有压力传感器芯片的参考压力端均设置在密封腔体内，所述参考气路盖板上设置有与内腔连通的气路，气路与外部连通，

所述密封槽与密封腔体之间互不相通。

在上述技术方案中，所述芯体基座为长方体，所述盖板为梯形柱体，测量气路盖板通过螺钉与芯体基座固定连接，参考气路盖板通过密封胶与芯体基座粘接。

在上述技术方案中，所有压力传感器芯片具有相同的电压输入，输入电压为3V～20V恒压供电，每一个压力传感器芯片具有独立的电压信号输出，所述压力传感器芯片为两线输出。

在上述技术方案中，每一个温度传感器芯片具有独立的输入、输出线路，每一个温度传感器芯片的输入和输出共用一组线路。

在上述技术方案中，在芯体基座上设置有线槽，温度传感器芯片和压力传感器芯片的输入、输出线路设置在线槽内。

在上述技术方案中，在参考气路盖板上沿着轴线对称设置有两组与内腔连通的气路，每一组气路均与外部大气连通。

在上述技术方案中，对压力传感器的温度补偿，包括以下过程：

步骤一：同一个微型组合式压力传感器中的压力传感器芯片尽量选取性能参数相近的MEMS压力传感器芯片，以利于温度的统一补偿；

步骤二：在补偿温度范围的25%位置处设定温度

，并在压力传感器芯片满量程的-80%、0、-80%三个压力点进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的压力传感器芯片输出进行线性拟合，得到压力传感器芯片在温度 />

下的一次项工作系数/>

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步骤三：在补偿温度范围的80%位置处设定温度

，并在压力传感器芯片满量程的-80%、0、-80%三个压力点进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的压力传感器芯片输出电压进行线性拟合，得到压力传感器芯片在温度/>

下的一次项工作系数 />

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步骤四：通过步骤一和步骤二计算压力传感器芯片工作系数随温度变化而改变的综合比值

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步骤五：计算补偿电阻阻值

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时压力传感器芯片的恒压供电两端之间的总电阻， />

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时压力传感器芯片的恒压供电两端之间的总电阻；

步骤六：选择阻值为

且阻值恒定不随温度变化的电阻串接到压力传感器芯片的统一恒压供电回路中，并调整恒压供电电压为/>

，其中V为压力传感器芯片初始统一恒压供电电压，对压力传感器测值进行一级温度补偿；

步骤七：在微型组合式压力传感器的补偿温度范围内，选取多个温度点，分别对传感器进行各恒温状态下的加压校准（校准时所加压力为压力传感器芯片量程范围内的多个压力点），得到多组恒定温度、不同压力条件下，各压力传感器芯片和温度传感器芯片的输出值；

步骤八：将相邻两只温度传感器芯片测值的平均值作为这两只温度传感器芯片之间的压力传感器芯片的温度；

步骤九：将步骤七和步骤八的结果进行拟合，获取该压力传感器芯片输出电压、芯片温度和所加校准压力的二元函数关系，对压力传感器测值进行二级温度补偿。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

通过组合式传感器芯片设计，提高了设备集成度，减小了传感器体积；同时，在传感器外形设计上，考虑到风洞试验模型支杆走线空间为ф2mm～ф4mm的圆柱型空间，因此微型组合式压力传感器采用了近似于圆柱的六角型柱体设计，便于将其安装在接近模型底部的支杆空间内部，大大缩短了底压测量的气路传导时间；在微型组合式压力传感器输入输出的电气路设计上，不仅将所有的电路规范集成、统一引出，且充分考虑了传感器使用时电气路的连接和走向敷设，保证了该传感器在支杆内腔中使用时所有电气路均是一字型敷设即可，最大限度地避免了传感器电气路线缆的弯折和缠绕，极大地提高了传感器安装使用的便捷性和可靠性；通过外接温度补偿电阻，以及利用与压力传感器芯片紧邻的温度传感器芯片所测得的各压力传感器芯片的实时温度，对压力传感器测值进行两级温度补偿修正，降低了风洞试验过程中环境温度变化对压力测量精准度的影响，满足了风洞试验模型底部压力测量的快速精准需求，进而提升了风洞试验的运行效率和数据质量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是测量气路盖板的结构示意图；

图2是芯体基座的结构示意图；

图3是参考气路盖板的结构示意图；

其中：1是测量气路盖板，2是密封槽，3是气路，4是气路钢管，5是芯体基座，6是压力传感器芯片，7是温度传感器芯片，8是电路输入输出接口，9是参考气路盖板，10是温度补偿电阻。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例的传感器主要由三部分构成，一个用于固定若干个传感器芯片的基座、位于基座两侧的两个盖板，一个盖板用于连接传感器所测量的压力，一个盖板用于给传感器提供参考气压。盖板与芯体基座组装为一体后整个结构成六面圆柱体结构。

如图2所示，芯体基座的结构设计如下：

A01、采用13mm（高）×3mm（宽）×50mm（长）的合金铝材料的长方体为基座，用于设置安装传感器芯片；

A02、在传感器芯体基座上，横向一字型均匀设置四个贯穿芯体基座的通孔，每一个通孔内安装一只MEMS压力传感器芯片，在每两个MEMS压力传感器芯片之间安装一只温度传感器芯片，并且在最外侧的MEMS压力传感器芯片的外侧边上设置一只温度传感器芯片，确保每两个温度传感器芯片之间有一个MEMS压力传感器芯片；同一个微型组合式温度补偿型压力传感器中的MEMS压力传感器芯片尽量选取性能参数比较相近的MEMS压力传感器芯片，以利于温度的统一补偿；

A03、MEMS压力传感器芯片采用压差型的测量芯片，芯片上表面感受参考边压力，芯片下表面感受测量气路的压力。

A04、四只压力传感器芯片的上表面位于芯体基座与参考气路盖板连接一侧，下表面位于芯体基座与测量气路盖板连接一侧；

A05、温度传感器芯片采用PT100的温度传感器芯片；

A06、四只压力传感器芯片初始采用统一的5V恒压供电，各压力传感器芯片采用独立两线输出形式，输出电压信号；

A07、五只温度传感器芯片采用独立两线形式，分别进行1mA恒流供电，同时通过该两线输出电压信号；

A08、所有压力传感器芯片和温度传感器芯片的输入输出电路统一从芯体基座的右端用微型矩形多芯电缆接插件引出；

A09、在芯体基座与测量气路盖板连接侧的四个角上，以离边2mm的交叉点为圆心各加工一个ф2mm公制螺钉孔，用于后续测量气路盖板与传感器芯体基座的紧固连接。

如图1所示，微型组合式温度补偿型高精度压力传感器测量气路盖板设计：

B01、测量气路盖板采用13mm（下底）×6mm（上底）×4.8mm（高）×50mm（长）的梯形柱体设计，使用合金铝材料加工；

B02、在梯形柱体下底面对准传感器芯体基座的各压力传感器芯片测量面入口位置处，先加工四个ф2.1mm、深度为0.5mm的O型密封圈安装槽，再从各安装槽的中心位置向测量气路盖板的左端面分别加工一条ф0.7mm的密封气路通道；

B03、在B02密封气路通道伸出盖板左端面的气路引出口，对应密封安装四个ф1.0mm（外径）×ф0.7mm（内径）×10mm（长）的通气钢管，以方便底压测量气路的接入；

B04、在梯形下底面的四个角上，以离边2mm的交叉点为圆心各加工一个ф2mm公制螺钉通孔，用于传感器组装时压紧螺钉的穿过；

B05、在B02步骤加工的O型密封圈安装槽中安放ф2.1mm（外径）×ф0.7mm（内径）×0.7mm（厚）的O型密封圈，通过压紧螺钉与O型密封圈的紧密配合，保证将由测量气路盖板引入的测量气路密封畅通地传导到各传感器芯片的下表面。

如图3所示，微型组合式压力传感器参考气路盖板设计

C01、传感器参考气路盖板采用13mm（下底）×6mm（上底）×4.8mm（高）×50mm（长）的梯形柱体设计，使用合金铝材料加工；

C02、比照盖板外部形状，在盖板内铣出10mm（下底）×4.6mm（上底）×3.6mm（高）×46mm（长）的梯形腔室，使参考气路盖板呈中空式结构；

C03、在参考气路盖板左右端面的中心位置，各加工一个ф0.7mm的密封气路通道，用于接入参考边压力或者清洗参考边腔体内部的潮湿气体；

C04、在C03密封气路通道伸出盖板左、右端面的气路引出口，密封安装ф1.0mm（外径）×ф0.7mm（内径）×10mm（长）的通气钢管9，以方便参考气路的接入。

微型组合式温度补偿型压力传感器的组合安装

D01、先将测量气路盖板用螺钉固定安装在芯体基座传感器芯片下表面所在一侧上，保证测量气路与传感器测量边气路密封连接导通；

D02、再使用强力密封胶将参考气路盖板粘贴在芯体基座传感器芯片上表面所在一侧上，使通过参考边气路导入的参考边压力在参考气路盖板中空的腔体内部形成一个较大的参考腔，覆盖腔体内部所有的压力传感器芯片的参考边；

D03、安装好后，给左右两个参考边气路各连接2米长左右的测压软管，并从左参考边入口缓缓的注入纯氮气，氮气压力保持在表压50KPa左右，右侧排放参考腔内部潮湿空气，注入氮气20秒后将左侧参考边的测压软管截止，停止氮气注入，保持微型组合式压力传感器参考腔内部为氮气成分。

微型组合式压力传感器的两级温度补偿

E01、设定温度10℃，将微型组合式压力传感器放置在该温度环境下恒温2h后，测量其压力传感器芯片统一恒压供电两端电阻阻值

，并选取压力传感器满量程的-80%、0、-80% 三个压力点，进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的传感器输出电压进行线性拟合，得到微型组合式压力传感器中各压力传感器芯片在该温度条件下的一次项工作系数， />

；

E02、设定温度30℃，将微型组合式压力传感器放置在该温度环境下恒温2h后，测量其压力传感器芯片统一恒压供电两端电阻阻值

，并选取压力传感器满量程的-80%、0、-80% 三个压力点，进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的传感器输出电压进行线性拟合，得到微型组合式压力传感器中各压力传感器芯片在该温度条件下的一次项工作系数， />

；

E03、计算出微型组合式压力传感器中压力传感器芯片工作系数随温度变化而改变的综合比值

：

;

E04、计算补偿电阻阻值

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E05、选择阻值为

，且阻值恒定不随温度变化的精密电阻，串接到微型组合式压力传感器的统一恒压供电回路中，并将恒压供电电压修改为/>

，实现对微型组合式压力传感器的一级温度补偿。其中压力传感器芯片初始统一恒压供电电压V=5V。

E06、恒压

供电，在微型组合式温度补偿型压力传感器的补偿温度范围内，选取-5℃、10℃、20℃、30℃、50℃共5个温度点，对传感器分别进行恒温状态下的多点标压校准，针对量程为±100kPa的压力传感器芯片，所选标压为-90kPa、-60kPa、-30kPa、0kPa、30kPa、60kPa、90kPa共7个压力测点，校准测试后得到5组恒定温度下、不同压力条件下，各压力传感器芯片和温度传感器芯片的输出值。同时将相邻两只温度传感器测值的平均值，作为这两只温度传感器芯片中间所夹的压力传感器芯片的温度。根据上述各压力传感器芯片的所加的标准压力Pi、芯片温度Ti（第i只压力传感器芯片的温度）和相对应的传感器芯片输出二维电压数组Ui（第i只压力传感器芯片的输出电压矩阵），通过拟合计算，求出该压力传感器芯片测值P与其输出Ui和温度Ti的二元函数关系，完成对微型组合式压力传感器中第i只压力传感器芯片的二级温度补偿。通过两级温度补偿修正，实现该的高精度测量。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，用于风洞模型底部压力测量，其特征在于：所述传感器包括芯体基座和对称连接在芯体基座两侧的盖板，芯体基座与盖板连接为一体后的结构为六面形柱体，

所述芯体基座上沿着长度方向设置有若干个通孔，每一个通孔内设置一个压差型压力传感器芯片，所有压力传感器芯片同向设置在通孔内，沿着芯体基座的高度方向、压力传感器芯片一侧是参考压力端，另一侧是测试压力端，相邻两个压力传感器之间设置一个温度传感器；

所述盖板包括一块测量气路盖板和一块参考气路盖板，所述测量气路盖板上与压力传感器芯片对应的位置处设置有密封槽，芯体基座和测量气路盖板盖合后，一个压力传感器芯片的测试压力端对应设置在一个密封槽内，所述测量气路盖板内设置有若干个气路，每一个密封槽通过一个独立的气路与外部连通；

所述参考气路盖板上与芯体基座连接的一面上设置有内腔，所述内腔与芯体基座端面之间构成密封腔体，所有压力传感器芯片的参考压力端均设置在密封腔体内，所述参考气路盖板上设置有与内腔连通的气路，气路与外部连通，

所述密封槽与密封腔体之间互不相通。

2.根据权利要求1所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于所述芯体基座为长方体，所述盖板为梯形柱体，测量气路盖板通过螺钉与芯体基座固定连接，参考气路盖板通过密封胶与芯体基座粘接。

3.根据权利要求1所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于所有压力传感器芯片具有相同的电压输入，输入电压为3V～20V恒压供电，每一个压力传感器芯片具有独立的电压信号输出，所述压力传感器芯片为两线输出。

4.根据权利要求1所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于每一个温度传感器芯片具有独立的输入、输出线路，每一个温度传感器芯片的输入和输出共用一组线路。

5.根据权利要求3或4所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于在芯体基座上设置有线槽，温度传感器芯片和压力传感器芯片的输入、输出线路设置在线槽内。

6.根据权利要求1所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于在参考气路盖板上沿着轴线对称设置有两组与内腔连通的气路，每一组气路均与外部大气连通。

7.根据权利要求1所述的一种用于风洞模型底部压力测量的微型组合式压力传感器，其特征在于对压力传感器的温度补偿，包括以下过程：

步骤一：在补偿温度范围的25%位置处设定温度

，并在压力传感器芯片满量程的-80%、0、-80%三个压力点进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的压力传感器芯片输出电压进行线性拟合，得到压力传感器芯片在温度/>

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步骤二：在补偿温度范围的80%位置处设定温度

，并在压力传感器芯片满量程的-80%、0、-80%三个压力点进行标准压力加压测试，对所加的标准压力和相对应的压力传感器芯片输出电压进行线性拟合，得到压力传感器芯片在温度下/>

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步骤三：通过步骤一和步骤二计算压力传感器芯片工作系数随温度变化而改变的综合比值

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，n为压力传感器芯片个数；

步骤四：计算补偿电阻阻值

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时压力传感器芯片的恒压供电两端之间的总电阻，/>

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时压力传感器芯片的恒压供电两端之间的总电阻；

步骤五：选择阻值为

且阻值恒定不随温度变化的电阻串接到压力传感器芯片的统一恒压供电回路中，并调整恒压供电电压为/>

，其中V为压力传感器芯片初始统一恒压供电电压，对压力传感器测值进行一级温度补偿；

步骤六：在微型组合式压力传感器的补偿温度范围内，选取多个温度点，分别对传感器进行各恒温状态下的加压校准，得到多组恒定温度、不同压力条件下，各压力传感器芯片和温度传感器芯片的输出值；

步骤七：将相邻两只温度传感器芯片测值的平均值作为这两只温度传感器芯片之间的压力传感器芯片的温度；

步骤八：对步骤六和步骤七的结果进行拟合，获取该压力传感器芯片输出电压、芯片温度和所加校准压力的二元函数关系，对压力传感器测值进行二级温度补偿。

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