一種自動化壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：壓力傳感器實際運用前為了保證使用精度需對傳感器進行校驗標(biāo)定，傳統(tǒng)標(biāo)定設(shè)備體型大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣，不適合工程試驗現(xiàn)場使用，本文介紹的是一種由基準(zhǔn)壓力校驗控制模塊，待測壓力傳感器數(shù)字采集模塊和PC自動化處理模塊組成的自動化壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)，本設(shè)計有模塊化設(shè)計、自動化程度高、標(biāo)定結(jié)果精確度高等優(yōu)點，可廣泛運用在計量標(biāo)準(zhǔn)檢測單位、物理工程試驗室、航空航天等領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】壓力傳感器 傳感器標(biāo)定 數(shù)據(jù)處理 軟件設(shè)計

壓力測量在工業(yè)、科技、軍事、航空航天等各種行業(yè)中運用廣泛，對于0～1MPa的低壓測量來說，主要運用在各行業(yè)專業(yè)實驗室，壓力測量精度要求很高，對于相應(yīng)的壓力傳感器性能提出了很高的要求。

壓力傳感器由于制作材料、工藝等因素會引入一些誤差，導(dǎo)致其實際靜態(tài)參數(shù)與理論參數(shù)有一定的偏差，所以必須在傳感器使用前進行標(biāo)定校驗；另外即使標(biāo)定過的傳感器在使用或放置過一段時間后，由于自身及環(huán)境變化的影響，也會發(fā)生溫漂、零漂，靈敏度、遲滯等靜態(tài)參數(shù)也會發(fā)生變化，同樣需要定期對傳感器進行性能參數(shù)校準(zhǔn)。

現(xiàn)階段一般壓力傳感器都是在相關(guān)質(zhì)檢部門專用設(shè)備上進行標(biāo)定，自動化程度較低，消耗時間長，標(biāo)定完傳感器在運輸、安裝過程中也會引入新的誤差，而在實際情況中，工程測試人員在現(xiàn)場完成傳感器標(biāo)定操作更為合適，因為傳感器使用所處環(huán)境、溫度都與測量時一致，且省去了送檢的麻煩和來回前后的不確定性，可以極大提高了工作效率。

綜上所述，為壓力傳感器檢測提供一種自動化現(xiàn)場標(biāo)定解決方案是非常有必要的。本文介紹的標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計從兩個方面滿足了其自動化的性能要求：

（1）采用具備自動切換不同量程的標(biāo)定系統(tǒng)模塊作為基準(zhǔn)來標(biāo)定待檢傳感器，滿足不同量程壓力傳感器的高精度標(biāo)定要求；

（2）通過連接PC控制整個標(biāo)定過程，并在標(biāo)定結(jié)束后自動輸出壓力傳感器標(biāo)定報告，包括靈敏度、遲滯、重復(fù)性等靜態(tài)參數(shù)和最小二乘法等線性公式。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

本壓力標(biāo)定系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)壓力采集模塊、待測壓力采集模塊、控制數(shù)據(jù)處理電腦、自帶泵調(diào)節(jié)閥、壓力氣源（氣罐）構(gòu)成。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下：量程：0～1MPa；總體不確定度 ≤0.2%FS；非線性：≤0.2%FS；重復(fù)性：≤0.2%。

系統(tǒng)工作時通過PC端軟件預(yù)先設(shè)置好標(biāo)定參數(shù)，包括標(biāo)定壓力具體數(shù)值，循環(huán)次數(shù)，濕度，溫度等，系統(tǒng)開始工作后自帶泵調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)壓力氣源同時給待測壓力傳感器和基準(zhǔn)壓力傳感器提供給定輸出值的氣壓，兩套采集模塊分別采集數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端并記錄、儲存，然后依次循環(huán)完成預(yù)先設(shè)置好的標(biāo)定壓力值后，調(diào)節(jié)閥門關(guān)閉，系統(tǒng)停止運行，最后通過軟件處理數(shù)據(jù)并自動輸出標(biāo)定報告。

1.1 調(diào)節(jié)閥

自帶泵調(diào)節(jié)閥配有內(nèi)置泵用以產(chǎn)生和調(diào)節(jié)壓力外接壓力源及真空泵可以提高控制速度。

這種調(diào)節(jié)閥用于產(chǎn)生及控制極其精確的微壓，或者在沒有外接氣源的情況下使用。所有SVR調(diào)節(jié)閥需要使用外部氣源，這個氣源應(yīng)該是最大量程的110%。

1.2 基準(zhǔn)壓力采集模塊

本模塊配備帶有壓力調(diào)節(jié)器的獨立控制通道，分別配置兩個量程的基準(zhǔn)壓力傳感器，第一個量程比為待測傳感器的全測量范圍，第二個量程比的測量范圍不能小于全測量范圍的 50%，通過內(nèi)置單片機自動切換基準(zhǔn)傳感器進行壓力測量，達到提高測量精度的目的。本模塊所選用基準(zhǔn)壓力傳感器出廠時都配有可溯源至NIST的校準(zhǔn)證書，而且具有A2LA的校準(zhǔn)證書認證，完全可以作為基準(zhǔn)傳感器對待測傳感器進行標(biāo)定。

本模塊自帶信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，采集到的壓力模擬信號通過信號調(diào)理電路進行電橋平衡及信號放大處理，放大后的信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路，由A/D轉(zhuǎn)換芯片自帶的濾波功能進行濾波，并將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過RS232接口傳輸?shù)诫娔X中進行后續(xù)處理。

1.3 待測壓力采集模塊

本模塊由直流穩(wěn)壓電源與模擬量輸入數(shù)顯采集器組成。供電電源的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了整個采集處理系統(tǒng)的精度，電源如果出現(xiàn)抖動，會引起采集系統(tǒng)AD輸出誤差，直接影響傳感器標(biāo)定的準(zhǔn)確度，所以要選用低噪聲、線性度且工作穩(wěn)定的電源。

待測傳感器在受到氣源供給氣體壓力后，輸出模擬電壓信號，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，由某型數(shù)顯采集器記錄數(shù)據(jù)、存儲并通過串行接口與PC連接。

1.4 PC控制處理軟件設(shè)計

PC控制端軟件設(shè)計主要由硬件控制和數(shù)據(jù)處理輸出設(shè)計兩部分構(gòu)成。硬件主要負責(zé)自帶泵調(diào)節(jié)閥的標(biāo)準(zhǔn)壓力控制和兩個采集模塊的數(shù)據(jù)通信控制；數(shù)據(jù)處理輸出部分負責(zé)在接收到標(biāo)定壓力數(shù)據(jù)后，完成數(shù)據(jù)計算并輸出標(biāo)定結(jié)果。硬件控制采用C語言進行開發(fā)，可以與數(shù)據(jù)處理部分采用的LabVIEW系統(tǒng)開發(fā)軟件很好的兼容。

2 系統(tǒng)應(yīng)用及驗證

運用本系統(tǒng)對一個國外1.5bar壓力傳感器進行標(biāo)定驗證，以確定系統(tǒng)是否滿足設(shè)計要求，標(biāo)定結(jié)果如下：

重復(fù)性誤差：0.048%：回程誤差：0.029%

線性誤差：0.05%：基本誤差：0.375%

與壓力傳感器出廠時所帶技術(shù)指標(biāo)證書相比，線性度、重復(fù)度等參數(shù)平均偏差率在0.1%以內(nèi)，證明本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、可靠的完成壓力傳感器標(biāo)定任務(wù)，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

參考文獻

[1]楊天明，郭明智，游紅偉.壓力傳感器在稱重過程中的應(yīng)用[J].河南科技學(xué)院學(xué)報，2005.33[4]：72-75.

[2] mensor. CPC6000 Manual，2014.

作者單位

中國特種飛行器研究所 湖北省荊門市 448035