CN114544042A - 一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法 - Google Patents

一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，属于传感器领域，振动筒压力传感器的敏感元件上分别安装两个测温元件，通过分别调整两个测温元件周围导热介质的导热系数，在变温条件下，使一个测温元件感受的温度显著超前于传感器的敏感元件，另外一个测温元件感受的温度显著滞后传感器的敏感元件，利用两个测温元件的输出值的差值反应环境温度变化情况，对传感器在变温环境下的误差进行补偿。

Description

一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，具体涉及一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法。
背景技术
振动筒压力传感器为0.01级精度等级的高精度压力传感器，该类型传感器以金属薄壁圆筒为敏感元件，被测压力会改变金属薄壁圆筒的固有频率，通过采集金属薄壁圆筒在不同压力下的固有频率，解算出被测压力值。温度变化会影响金属薄壁圆筒的固有频率，因此需要对传感器进行温度补偿。因结构和功能限制，测温元件无法和金属薄壁圆筒直接接触保持温度一致。
现有技术的振动筒压力传感器的温度补偿方式为：在传感器的外部安装一个测温元件，在温度稳定的条件下，采集测温元件在不同温度下的输出值，通过该值对传感器的输出频率值进行修正，最终建立被测压力与传感器输出频率值、测温元件输出值的多项式特征方程。在实际使用中，通过采集传感器的输出频率和测温元件输出值，带入到传感器的特征方程中解算出被测压力值。
现有技术的振动筒压力传感器存在的问题为：现有振动筒压力传感器是在各个温度点温度稳定下的前提下，建立的特征方程，该状态下测温元件和金属薄壁圆筒的温度一致。但是在变温环境下，因传感器的结构个体差异和工程应用的固定测温元件的导热硅橡胶的导热系数较为离散，安装在传感器外部的测温元件很难实现和金属薄壁圆筒的温度完全一致，当测温元件测得温度和金属薄壁圆筒的温度产生差异时，将变温环境下测得的传感器输出频率值和测温元件的输出值代入原特征方程中就会产生较大的压力误差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，包括如下步骤：
S1、在振动筒压力传感器上设置双测温元件，并分别采用两组不同导热系数的导热硅橡胶完全包裹所述双测温元件；
S2、根据振动筒压力传感器的标定要求分别建立特征方程，将升温过程中的同一时刻所述双测温元件的两个输出分别代入对应的特征方程计算压力误差值；
S3、根据所得到的压力误差值计算振动筒压力传感器的等效温度值并建立等效温度值的特征方程；
S4、在振动筒压力传感器的使用过程中采集传感器输出的周期值以及两组测温元件的输出值，并将其带入S3建立的等效温度值的特征方程，得到输出压力值。
进一步的，所述双测温元件包括径向对称安装的第一测温元件和第二测温元件，所述第一测温元件和第二测温元件分别安装于所述振动筒压力传感器的内壁处。
进一步的，在变温过程中，其中第一测温元件感受的温度超前于所述振动筒压力传感器，第二测温元件感受的温度滞后于所述振动筒压力传感器。
进一步的，所述不同导热系数的导热硅橡胶固定与所述振动筒压力传感器内壁处的安装孔或安装槽内。
进一步的，所述S2中特征方程表示为：
Figure 983651DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 429675DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 294863DEST_PATH_IMAGE003
分别为两组特征方程的系数，
Figure 230458DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure 548307DEST_PATH_IMAGE005
个温度数据，
Figure 860340DEST_PATH_IMAGE006
为第
Figure 314455DEST_PATH_IMAGE007
测量周期，
Figure 420951DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 491675DEST_PATH_IMAGE009
分别为两组测温元件的特征方程。
进一步的，所述S3中等效温度值的计算方式表示为：
Figure 279503DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 916020DEST_PATH_IMAGE011
为等效温度值，
Figure 131101DEST_PATH_IMAGE012
为一组测温元件的输出值，
Figure 485859DEST_PATH_IMAGE013
为另一组测温元件的输出值，
Figure 811798DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 506085DEST_PATH_IMAGE015
分别为两组测温元件对应的传感器变温过程中的最大误差值，且
Figure 219963DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 734121DEST_PATH_IMAGE015
分别为正值和负值，即当
Figure 926068DEST_PATH_IMAGE014
为正值时，
Figure 474861DEST_PATH_IMAGE015
为负值；当
Figure 94061DEST_PATH_IMAGE014
为负值时，
Figure 361094DEST_PATH_IMAGE015
为正值。
进一步的，所述S3中等效温度值的特征方程表示为：
Figure 294415DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 760031DEST_PATH_IMAGE017
为等效温度值的特征方程，
Figure 487816DEST_PATH_IMAGE018
为等效温度值的特征方程的系数。
本发明具有以下有益效果：
与现有技术相比，本发明的较大突破在于：通过双测温元件对振动筒压力传感器进行变温条件下的温度补偿，可以解决现有振动筒压力传感器的变温条件下的误差增大的问题，可以将振动筒压力传感器变温条件下的误差从0.1%提升至0.05%以上。同时只对现有振动筒压力传感器的结构形式和标定形式进行少量调整，在工程化产品生产上具有较好的可操作性。
附图说明
图1为本发明变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法流程示意图。
图2为本发明双测温元件安装结构剖视示意图。
附图标记说明：
1-第一测温元件，2-高导热硅橡胶，3-振动筒压力传感器，4-低导热硅橡胶，5-第二测温元件。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、在振动筒压力传感器上设置双测温元件，并分别采用两组不同导热系数的导热硅橡胶完全包裹所述双测温元件；
如图2所示，用于温度补偿的第一测温元件1和第二测温元件5安装在振动筒压力传感器3的壁厚处，采用径向对称安装。采用不同导热系数的硅橡胶完全包裹测温元件，固定在敏感元件壁厚处的安装孔或者安装槽内，其中，高导热硅橡胶2包裹第一测温元件1，低导热硅橡胶包裹第二测温元件5。在变温过程中，第一测温元件感受的温度超前于敏感元件，第二组测温元件感受的温度滞后于敏感元件。测温元件可以为同类型，也可以为不同类型。
在振动筒压力传感器3的敏感元件零件底部厚度较大的地方通过机械加工的方式，加工两个关于敏感元件中心线对称分布的同结构形式的安装孔或安装槽。安装孔或者安装槽的尺寸大于测温元件的外形尺寸1~2mm，内壁的表面粗糙度大于Ra3.2。
将两种灌封材料放入真空干燥箱内脱泡，抽真空至不高于500Pa，待自动破泡后维持真空4~6min，脱泡完毕。如果测温元件引线或引脚无绝缘层，则在测温元件引线或引脚上套上聚四氟乙烯管或其它绝缘材料，放入安装孔或者安装槽内。用注射器将脱泡后的灌封材料分别缓慢注入安装孔或者安装槽内，直至充满形腔，高度不应超出形腔外表面。缓慢移动测温元件，使测温元件位于安装孔或者安装槽中间位置，并使灌封材料充满缝隙。
S2、根据振动筒压力传感器的标定要求分别建立特征方程，将升温过程中的同一时刻所述双测温元件的两个输出分别代入对应的特征方程计算压力误差值；
具体而言，分别采集从低到高的稳定温度q、从低到高的压力P下的传感器输出的周期值T、第一测温元件1输出值V1和第二测温元件5输出值V2，采集值如表1和表2所示
表1 输入压力与温度关系表
Figure 38883DEST_PATH_IMAGE019
表2 双测温元件输出至与温度关系表
Figure 775895DEST_PATH_IMAGE020
将不同温度、不同压力下的各组传感器的输出周期器T和测温元件输出值V1代入方程
Figure 33701DEST_PATH_IMAGE021
的
Figure 260283DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 236329DEST_PATH_IMAGE023
中，得到一组以
Figure 308190DEST_PATH_IMAGE002
为未知量的方程组P1，以所有误差值（P1和输入压力P之间差值）的平方和最小为原则，求偏导或者其它方式计算出特征方程系数
Figure 686082DEST_PATH_IMAGE024
的值
Figure 817986DEST_PATH_IMAGE002
，建立特征方程
Figure 281328DEST_PATH_IMAGE025
。
同样方式，将不同温度、不同压力下的各组传感器的输出周期器T和测温元件输出值V2代入方程
Figure 360143DEST_PATH_IMAGE026
的
Figure 654858DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 160926DEST_PATH_IMAGE023
中，得到一组以
Figure 908302DEST_PATH_IMAGE002
为未知量的方程组P2，以所有误差值（P2和输入压力P之间差值）的平方和最小为原则，求偏导或者其它方式计算出特征方程系数
Figure 525228DEST_PATH_IMAGE024
的值
Figure 674450DEST_PATH_IMAGE003
，建立特征方程
Figure 616998DEST_PATH_IMAGE027
。
S3、根据所计算的压力误差值计算振动筒压力传感器的等效温度值并将并建立等效温度值的特征方程；
在传感器满量程压力条件下，以大于10℃/min升温速度，从t1升温至tm。采集不同时间点同一时刻传感器的输出周期值T，第一测温元件1输出值V1和第二测温元件5的输出值V2，将周期值T和V1代入特征方程
Figure 789353DEST_PATH_IMAGE008
的
Figure 6708DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 213698DEST_PATH_IMAGE023
中，计算得到一组P1值，将周期值T和V2代入特征方程
Figure 123886DEST_PATH_IMAGE009
的
Figure 49116DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 7845DEST_PATH_IMAGE023
中，计算得到一组P2值，计算所有的P1和P2与传感器满量程压力值的最大差值ΔP1和ΔP2。ΔP1和ΔP2为第一测温元件1和第二测温元件5对应的传感器变温过程中的最大误差值，ΔP1和ΔP2分别为正值和负值。
以V1和V2来计算敏感元件的等效温度值，计算方式为：
V3=
Figure 866080DEST_PATH_IMAGE028
最后样采用
Figure 884851DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 94116DEST_PATH_IMAGE009
同样的方式，将传感器的输出周期器T和等效温度值V3代入方程
Figure 856535DEST_PATH_IMAGE021
中，计算得到计算出特征方程每一个
Figure 38118DEST_PATH_IMAGE024
的值
Figure 24528DEST_PATH_IMAGE018
，建立S3的特征方程：
Figure 658772DEST_PATH_IMAGE016
S4、振动筒压力传感器的使用过程中采集传感器输出的周期值以及两组测温元件的输出值，先计算出等效温度值V3，将传感器的输出周期值和等效温度值分别代入S3建立的等效温度值的特征方程的
Figure 21620DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 57709DEST_PATH_IMAGE023
中，得到输出压力值。
在温度变化过程中，因第一测温元件1温度变化超前于敏感元件，第二测温元件5温度变化滞后于敏感元件，采用将二者加权平均的方式，计算获得敏感元件的等效温度值。后续在传感器使用过程中，通过采集传感器输出的周期值T、第一测温元件1输出值V1，第二测温元件5的输出值V2，计算得到V3值，将周期T和等效温度值V3分别代入方程
Figure 215021DEST_PATH_IMAGE017
的
Figure 602140DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 706362DEST_PATH_IMAGE023
中，可以计算出输入压力值。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在振动筒压力传感器上设置双测温元件，并分别采用两组不同导热系数的导热硅橡胶完全包裹所述双测温元件；
S2、根据振动筒压力传感器的标定要求分别建立特征方程，将升温过程中的同一时刻所述双测温元件的两个输出分别代入对应的特征方程计算压力误差值；
S3、根据所得到的压力误差值计算振动筒压力传感器的等效温度值并建立等效温度值的特征方程；
S4、在振动筒压力传感器的使用过程中采集振动筒压力传感器输出的周期值以及两组测温元件的输出值，并将其带入S3建立的等效温度值的特征方程，得到输出压力值。
2.根据权利要求1所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，所述双测温元件包括径向对称安装的第一测温元件和第二测温元件，所述第一测温元件和第二测温元件分别安装于所述振动筒压力传感器的内壁处。
3.根据权利要求2所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，在变温过程中，其中第一测温元件感受的温度超前于所述振动筒压力传感器，第二测温元件感受的温度滞后于所述振动筒压力传感器。
4.根据权利要求2所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，所述不同导热系数的导热硅橡胶固定于所述振动筒压力传感器内壁处的安装孔或安装槽内。
5.根据权利要求1所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，所述S2中特征方程表示为：
Figure 50539DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 503517DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 82266DEST_PATH_IMAGE003
分别为两组特征方程的系数，
Figure 860866DEST_PATH_IMAGE004
为第
Figure 525065DEST_PATH_IMAGE005
个温度数据，
Figure 47313DEST_PATH_IMAGE006
为第
Figure 217919DEST_PATH_IMAGE007
测量周期，
Figure 292055DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 53337DEST_PATH_IMAGE009
分别为两组测温元件的特征方程。
6.根据权利要求1所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，所述S3中等效温度值的计算方式表示为：
Figure 238331DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 401459DEST_PATH_IMAGE011
为等效温度值，
Figure 646495DEST_PATH_IMAGE012
为一组测温元件的输出值，
Figure 19708DEST_PATH_IMAGE013
为另一组测温元件的输出值，
Figure 883759DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 26027DEST_PATH_IMAGE015
分别为两组测温元件对应的传感器变温过程中的最大误差值，且
Figure 582910DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 177840DEST_PATH_IMAGE015
分别为正值和负值，即当
Figure 845582DEST_PATH_IMAGE014
为正值时，
Figure 842356DEST_PATH_IMAGE015
为负值；当
Figure 432125DEST_PATH_IMAGE014
为负值时，
Figure 655296DEST_PATH_IMAGE015
为正值。
7.根据权利要求6所述的变温条件下的振动筒压力传感器的压力误差补偿方法，其特征在于，所述S3中等效温度值的特征方程表示为：
Figure 985783DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure 712431DEST_PATH_IMAGE017
为等效温度值的特征方程，
Figure 735751DEST_PATH_IMAGE018
为等效温度值的特征方程的系数。
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