壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)零點(diǎn)漂移分析

梅強(qiáng)

（濟(jì)南鐵路局計(jì)量所，濟(jì)南 250001）

1 引言

壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)主要是運(yùn)用在鐵路電務(wù)部分，對(duì)鐵路的電務(wù)進(jìn)行檢測(cè)，所以，壓力傳感器的檢測(cè)結(jié)果是否準(zhǔn)確合格，這將直接關(guān)系到列車運(yùn)行中的各項(xiàng)指標(biāo)是否準(zhǔn)確。所以，要保障壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)的準(zhǔn)確使用，鐵路部門就要嚴(yán)格按照高技術(shù)、高水平的檢測(cè)手段通過壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)。

根據(jù)國家的明文規(guī)定，對(duì)壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)的計(jì)量檢定，一般是根據(jù)國家計(jì)量檢定規(guī)程JJF59－2007《活塞式壓力計(jì)檢定規(guī)程》和JJG(鐵道)181－2004《列車運(yùn)行監(jiān)控記錄裝置測(cè)試設(shè)備檢定規(guī)程》，采用精度等級(jí)在0.05%的二等活塞式標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)，或者精度等級(jí)為0.02%的多功能過程信號(hào)校準(zhǔn)儀，對(duì)壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，以此來確保列車在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確可靠。

2 變送器的發(fā)展現(xiàn)狀

變送器是一種基礎(chǔ)性的自動(dòng)儀表，在工業(yè)中、鐵路的傳送和檢測(cè)工作中都發(fā)揮著重要的作用，變送器的發(fā)展歷程主要是經(jīng)過了四個(gè)階段，第一階段是在最初，利用大位移的工作原理，這個(gè)階段的技術(shù)剛剛起步，所以變送器的精確度比較低，而且重量很大；第二階段的變送器主要是運(yùn)用了力平衡的工作原理，雖然精確度有所提高，但還是由于容易受到周圍環(huán)境的影響，精準(zhǔn)度不高；第三階段的變送器在這個(gè)階段已經(jīng)引入了新材料，和上面兩個(gè)階段的精準(zhǔn)度相比較已經(jīng)有了明顯提升；第四階段是在20世紀(jì)90年代，電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了變送器技術(shù)的進(jìn)步，變送器開始向著智能化的方向發(fā)展。

相比較與發(fā)達(dá)的國家來說，我國的變送器技術(shù)仍然是處于落后地位，我國對(duì)壓力傳感器的起步比較晚，相比較與美國、日本等電子大國，我國的壓力傳感器不論是從性能上還是水平上都處在落后地位。但是未來的發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)必是朝著更加小型化、集成化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向進(jìn)步。

3 壓力傳感器的工作原理及其零點(diǎn)漂移

3.1 壓力傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)

主要有以下幾種:①靜態(tài)靈敏度，這是壓力傳感器最重要的性能指標(biāo)，靜態(tài)靈敏度主要是傳感器的被測(cè)量單位變化量引起的輸出變化量，所以，對(duì)傳感器中靈敏元件的選擇是至關(guān)重要的，關(guān)鍵是對(duì)靈敏度的選擇。②線性度，從理論上來講，傳感器的靜態(tài)指標(biāo)應(yīng)該是一條直線，但是在實(shí)際的操作過程中，傳感器的輸出或者輸入一般來講都不會(huì)是直線，我們就稱傳感器的實(shí)際靜態(tài)特別的校準(zhǔn)曲線和任何一個(gè)參考直線的不吻合程度的最大值是線性度。③零點(diǎn)漂移，漂移指的就是在傳感器的輸入和環(huán)境溫度都不變的時(shí)候，其輸出量會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因就是由于在傳感器的內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)都是隨著機(jī)器內(nèi)部的溫度變化而變化的，這同樣也反應(yīng)出了傳感器的穩(wěn)定性指標(biāo)[1]。

3.2 壓力傳感器的工作原理

壓阻式變換原理能夠制成壓敏電阻，壓敏電阻能夠感受到物體在受力時(shí)發(fā)生的應(yīng)變力，而應(yīng)變力能夠使壓敏電阻的阻值發(fā)生變化，通過電路的連接，能夠通過電阻阻值的變化反應(yīng)出電壓或者電流的變化。利用這種原理制成的傳感器就是壓阻式傳感器，擴(kuò)散型硅壓力傳感器的運(yùn)用主要是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)變系數(shù)與金屬的應(yīng)變系數(shù)相比較，半導(dǎo)體材料靈敏和得多，這種變化主要是能夠引起電阻率的變化。這種壓力傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)有分辨率比較高，響應(yīng)比較及時(shí)，但是也存在著缺點(diǎn)，就是壓阻效應(yīng)的溫度系數(shù)比較大，長時(shí)間工作容易存在較大的溫度誤差。

3.3 壓力傳感器的零點(diǎn)漂移問題

零點(diǎn)漂移就是在壓力傳感器中的放大器輸入端短路的時(shí)候，在輸出端會(huì)呈現(xiàn)出不規(guī)律的或者變化比較緩慢的電壓產(chǎn)生，這種現(xiàn)象就是零點(diǎn)漂移，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于晶體管的參數(shù)值在溫度變化時(shí)受到了影響，或者電源電壓的波動(dòng)對(duì)壓力傳感器的指標(biāo)產(chǎn)生了影響等[2]。在很多的放大器中，零點(diǎn)漂移在前面受到的影響越大，級(jí)數(shù)越多，放大倍數(shù)越大，則產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移就會(huì)越嚴(yán)重。壓力傳感器中的材料選擇、材料的結(jié)構(gòu)組成以及材料的穩(wěn)定性或者熱阻性等都會(huì)影響零點(diǎn)漂移的大小。選擇精確度高的材料是一個(gè)方面，對(duì)材料加工的工藝也十分重要，加工制成的工藝不同也會(huì)影響應(yīng)變值的不同。

例如，對(duì)型號(hào)為LKJ-93、編號(hào)為02210127的壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量10次，得到以下表1的數(shù)據(jù)。

表1 壓力傳感器試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)結(jié)果

從表1可以看出，10次檢測(cè)中有7次存在零點(diǎn)漂移，最大值在±2kPa之間。由于以上零點(diǎn)漂移情況存在，將會(huì)使該試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

出現(xiàn)上述零點(diǎn)漂移的具體原因主要是由于晶體管中的參數(shù)值由于溫度的影響產(chǎn)生了波動(dòng)或者電源電壓不穩(wěn)定對(duì)參數(shù)值也產(chǎn)生了波動(dòng)，出現(xiàn)零點(diǎn)漂移的具體原因有以下幾方面，主要有：

①在應(yīng)變片的膠層中存在氣泡或者別的東西；

②選擇的應(yīng)變片本身的性能就不夠穩(wěn)定；

③在壓力傳感器的電路中存在著虛焊點(diǎn)；

④彈性體的應(yīng)力沒有完全釋放出來，另外，零點(diǎn)漂移出現(xiàn)的原因也和周圍的磁場(chǎng)、環(huán)境的溫度有很大的關(guān)系。

在沒有任何干擾的情況下，傳感器中的四個(gè)擴(kuò)散電阻應(yīng)該是有相同的阻值，但是由于溫度的變化，阻值也發(fā)生了變化，在一定溫度范圍內(nèi)，電阻的值是隨著溫度的增加而增加的，這就是產(chǎn)生了零點(diǎn)漂移。

4 解決零點(diǎn)漂移問題的建議

壓力傳感器的性能指標(biāo)和零點(diǎn)漂移存在著很大的關(guān)系，所以要減小壓力傳感器工作的偏差，可以通過一些方式縮小零點(diǎn)漂移的范圍或者對(duì)其進(jìn)行修正，電阻值的不確定以及溫度的非線性都影響零點(diǎn)漂移，同時(shí)，電阻的反向漏電也對(duì)零點(diǎn)漂移產(chǎn)生著重要影響，對(duì)于這一點(diǎn)，可以通過多晶硅吸除掉設(shè)備中的重金屬物質(zhì)，從而能夠降低力敏電阻出現(xiàn)反向漏電的頻率，減少零點(diǎn)漂移的出現(xiàn)，提高壓力傳感器的準(zhǔn)確度。此外，零點(diǎn)電漂移和零點(diǎn)熱漂移兩者是能夠相互減弱的，利用零點(diǎn)電漂移減少零點(diǎn)熱漂移，這種情況的調(diào)節(jié)方式有很多，現(xiàn)在的市面上基本上都是根據(jù)廠家的生產(chǎn)條件或者生產(chǎn)需求來進(jìn)行調(diào)節(jié)的?，F(xiàn)在的壓力傳感器的制作廠家基本上對(duì)零點(diǎn)漂移的控制方面都有很大的提升，溫度帶來的變化可以通過設(shè)備內(nèi)部的溫度電阻或者靈敏度電阻進(jìn)行補(bǔ)充，這就減少了溫度帶來的誤差，對(duì)于容易出現(xiàn)零點(diǎn)電漂移的變壓器，可以通過選擇好的器件對(duì)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，來減少由于電路引起的變化，對(duì)于傳感器中的應(yīng)變材料應(yīng)該多選擇靈敏度高、對(duì)溫度不敏感的材料。

5 結(jié)語

相比較于國外的壓力傳感器技術(shù)來講，我國在壓力傳感器技術(shù)上仍然有很大的上升空間，前方要走的路還很長，要借鑒國外傳感器廠家好的經(jīng)驗(yàn)，如果補(bǔ)償零點(diǎn)漂移，如何補(bǔ)償溫度引起的變化，可以利用硬件補(bǔ)償，社會(huì)在發(fā)展，技術(shù)在進(jìn)步，不斷積累經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取掌握核心技術(shù)。所以要抓緊掌握減少零點(diǎn)漂移的補(bǔ)償方法，向智能化、小型化、集成化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。