壓電式壓力傳感器的氦質(zhì)譜壓力真空檢漏方法

文/張科輝 高成 黃姣英 王怡豪

1 引言

壓力信號是航空航天、武器裝備、戰(zhàn)車戰(zhàn)艦，汽車、工業(yè)生產(chǎn)、管道、電子消費類產(chǎn)品等軍民領(lǐng)域廣泛關(guān)注的一類重要信號。壓力傳感器是獲取壓力信號的“器官”，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，壓力傳感器的重要地位只會增強(qiáng)，不會削弱。

壓電式壓力傳感器相比較其他類型的壓力傳感器具有靈敏度高、線性度好、耐高溫等優(yōu)點。圖1為CY-YD-203型壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，此類型壓力傳感器為膜片式壓電式壓力傳感器，該類型傳感器主要由彈性敏感器件（膜片）、壓電轉(zhuǎn)化器件（石英晶體）、本體（外殼和芯體）組成。當(dāng)壓力P 作用在膜片上時，將在壓電元件表面產(chǎn)生電荷，其與作用力之間呈線性關(guān)系。此種傳感器結(jié)構(gòu)緊湊，小巧輕便，是全密封結(jié)構(gòu)。

壓電式壓力傳感器的敏感元件是石英晶體，石英晶體的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性很大程度上受其內(nèi)部的水汽含量的影響。如果傳感器密封性不好，外部環(huán)境當(dāng)中的水分便會進(jìn)入傳感器內(nèi)部，給石英晶體的電性能造成很大的影響，從而導(dǎo)致壓力傳感器電性能參數(shù)不穩(wěn)定。因此對壓力傳感器進(jìn)行檢漏試驗對保證石英晶體的穩(wěn)定性、壓力傳感器測量準(zhǔn)確性具有十分重要的意義。

應(yīng)用于發(fā)動機(jī)引氣管道各處的壓力動態(tài)測量，用于燃油系統(tǒng)的供油壓力波動過程的測量等特殊場合為確保測量精度和良好的動態(tài)響應(yīng)，需要壓力傳感器保持全密封結(jié)構(gòu)，因此需要在使用前對壓力傳感器進(jìn)行檢漏測試，保證壓力測試系統(tǒng)的可靠工作。

圖1：壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)前，應(yīng)用于壓力傳感器檢漏的方法主要是吸槍法，精度與壓力真空法相比相對較低。本文在分析氦質(zhì)譜壓力真空檢漏方法的基礎(chǔ)上設(shè)計了適用于CY-YD-203型壓電式壓力傳感器的真空室和檢漏工裝，經(jīng)試驗驗證，滿足檢漏要求。

表1：壓力傳感器漏率記錄表

2 吸槍法檢漏

將待檢器件內(nèi)部充入幾個大氣壓的氦氣，之后用軟管與氦質(zhì)譜檢漏儀相連的并且被抽成真空的特制吸槍在待檢器件外部進(jìn)行探索，如圖2所示。

當(dāng)待檢器件存在漏孔時，氦氣將通過漏孔溢出。當(dāng)吸槍正對漏孔位置，溢出的氦氣將隨周圍空氣一起被吸槍吸入氦質(zhì)譜檢漏儀的質(zhì)譜室中進(jìn)而被氦質(zhì)譜檢漏儀檢測到，從而達(dá)到檢漏的目的。所以與吸槍相連的軟管應(yīng)當(dāng)越短越好，與此同時，管內(nèi)應(yīng)當(dāng)保持清潔。橡膠管的吸氦現(xiàn)象不僅普遍甚至還很嚴(yán)重，這會帶來很大的本底和噪聲，因此吸槍法檢漏時一般不采用。

進(jìn)行檢漏試驗的場所內(nèi)的空氣不應(yīng)有較大流動，以此來避免漏孔附近的氦氣濃度下降過快。檢漏實驗進(jìn)行時，吸槍在待檢件表面的移動速度不應(yīng)過快，這受到檢漏儀和軟管時間常數(shù)的限制。同時，吸槍與待檢件表面的距離不要超過3mm，以避免由于濃度梯度造成靈敏度損失。為提高檢漏靈敏度，可在吸槍吸嘴末端加一有彈性的罩子，這樣一來吸槍與待檢件表面就有了較好的密封接觸，使吸嘴處氦氣濃度不致下降過快。

吸槍法可以找出漏孔的確切位置。由于漏孔處氦氣向外擴(kuò)散，導(dǎo)致濃度降低，并且吸槍法靠吸槍的限流作用使檢漏儀與大氣隔離開來維持儀器的正常工作壓力，因此吸槍對氦氣的抽速很小，靈敏度也較低，最小可檢漏率一般比氦質(zhì)譜儀最小可檢漏率大三個數(shù)量級。

3 氦質(zhì)譜壓力真空檢漏方法設(shè)計

表示漏孔大小的最直觀的方法有兩個，一是漏孔的幾何尺寸，二是單位時間內(nèi)流過漏孔的氣體的質(zhì)量或分子數(shù)。

由于我們研究的漏孔極其微小，實際漏孔的截面形狀極不規(guī)則，漏孔路徑也各式各樣。因此，漏孔的大小既難以用它的幾何尺寸來度量，也難以直接測量氣體的質(zhì)量和分子個數(shù)。

由理想氣體狀態(tài)方程

可知

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；

M為氣體摩爾質(zhì)量，也是常數(shù)。

壓力真空法檢漏是中小型密封產(chǎn)品常用、發(fā)展成熟的檢漏方法之一，具有檢漏靈敏度高、檢漏周期短等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于航天、航空、儀器儀表等領(lǐng)域，是快速、簡單、可靠的定量檢漏方法之一。

壓力真空法是將被檢件放入一個真空室中，真空室與氦質(zhì)譜儀相連。檢漏時，先用輔助泵將真空室抽成低真空，關(guān)小輔助閥，打開檢漏儀的檢漏閥使真空室與質(zhì)譜室連通，然后向被檢件中充入氦氣（為提高氦分壓力系數(shù)，有時用泵將被檢容器抽空后再充氦氣），被檢件如果存在泄漏，示蹤物質(zhì)便會從漏孔漏出，從而判定漏孔的位置和漏率大小。

工程上常用的氦質(zhì)譜壓力真空檢漏方法原理如圖3所示。主要由抽空機(jī)組、被檢件、集氣室、氦氣源、標(biāo)準(zhǔn)漏孔、氦質(zhì)譜檢漏儀及相應(yīng)的管道和閥門等組成。被檢件的漏率可由公式（4）計算獲得：

式中：

Q為被檢件的測量漏率，單位為Pa?m3/s;

I0為被檢件未充氦氣前檢漏儀給出的穩(wěn)定信號，稱之為檢漏系統(tǒng)的本底信號，單位為Pa?m3/s;

圖2：吸槍法檢漏示意圖

圖3：氦質(zhì)譜壓力真空檢漏方法原理

圖4：真空室底座示意圖

圖5：真空室上蓋示意圖

ISP為標(biāo)準(zhǔn)漏孔開啟后檢漏儀給出的穩(wěn)定信號，單位為Pa?m3/s;

QSP為標(biāo)準(zhǔn)漏孔的標(biāo)稱值，單位為Pa?m3/s;

γ為被檢件內(nèi)的氦氣濃度。

在圖3中，被檢件與氦氣源之間采用充氣工裝連接，屬于可拆卸結(jié)構(gòu)，一般采用金屬密封圈或聚四氟乙烯密封圈實現(xiàn)連接部位的密封，這種密封圈在常壓下的漏率小于10-9Pa?m3/s數(shù)量級，其泄漏量可以采用公式（5）計算獲得。

圖6：檢漏工裝連接

圖7：一次檢漏試驗中的結(jié)果

式中：

Q0為充氣工裝密封結(jié)構(gòu)的泄漏量，單位為Pa?m3/s;

C為密封結(jié)構(gòu)的流導(dǎo)，單位為m3/s；

p2和p1分別為密封結(jié)構(gòu)高低壓側(cè)的壓力，單位為Pa。

4 真空室及檢漏工裝設(shè)計

利用壓力真空法對壓力傳感器進(jìn)行檢漏試驗，需要設(shè)計與之相配合的真空室及檢漏工裝。真空室及檢漏工裝應(yīng)當(dāng)滿足以下要求：

（1）真空室應(yīng)當(dāng)能夠容納壓力傳感器，體積應(yīng)不小于Φ100mm×100mm；

（2）真空室應(yīng)當(dāng)具有良好的密封性能；

（3）真空室應(yīng)當(dāng)有兩路氣路設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)與氦氣瓶、氦質(zhì)譜檢漏儀的方便的連接；

（4）真空室應(yīng)當(dāng)設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)接口，方便待檢壓力傳感器的放置與安裝。

真空室設(shè)計為由底座和上蓋兩部分組成。

4.1 真空室底座

真空室的底座為一長方體和圓環(huán)凸臺。圓環(huán)凸臺內(nèi)部能夠放置進(jìn)行檢漏試驗的CYYD-203型壓力傳感器，圓環(huán)凸臺內(nèi)徑確定為90mm。長方體上設(shè)計有兩路氣路，一路用于與氦氣瓶相連，另一路用于與氦質(zhì)譜檢漏儀相連。與氦氣瓶相連的氣孔內(nèi)部制作M5的內(nèi)螺紋，方便安裝固定壓力傳感器。真空室的底座設(shè)計如圖4所示。

4.2 真空室上蓋

真空室上蓋設(shè)計為一個圓罩，如圖5所示，在圓罩外側(cè)加工與真空室底座相配合的外螺紋，實現(xiàn)上蓋和底座的配合。為了達(dá)到檢漏真空室密封的要求，上蓋下表面的平面度應(yīng)達(dá)到0.05mm，同理底座上表面的平面度也應(yīng)達(dá)到0.05mm。

4.3 真空室的安裝與連接

在真空室內(nèi)開的槽內(nèi)放入密封圈，在壓力傳感器安裝螺紋上涂抹密封脂后，將壓力傳感器放入與氦氣瓶相連的氣路旋緊，之后在壓力傳感器與真空室底座接觸部分涂抹真空泥，達(dá)到防止氦氣溢出的效果。在真空室底座圓環(huán)凸臺上的溝槽內(nèi)放入密封圈，將真空室上蓋與真空室底座旋緊，在兩者配合的邊緣涂抹真空泥。最后將氦氣瓶與真空室通氦氣的氣路，氦質(zhì)譜檢漏儀與真空室檢漏氣路用密封橡膠管連接。連接后的檢漏工裝如圖6所示。

5 試驗驗證

如圖7所，檢漏工裝安裝好后，進(jìn)行檢漏試驗驗證。將壓力傳感器放置于真空室中旋緊，涂抹真空泥，連接好檢漏工裝，將氦氣瓶與真空室氦氣氣路相連，氦質(zhì)譜檢漏儀與檢漏氣路相連，連接后用卡箍箍緊，并在氣路連接邊緣處涂抹真空泥。檢漏試驗過程中先將真空室抽真空，然后向壓力傳感器內(nèi)部通入氦氣，從檢漏儀讀取泄漏率。共對壓力傳感器進(jìn)行10次檢漏試驗，試驗數(shù)據(jù)記錄在表中（表1）。檢漏試驗數(shù)據(jù)表明，檢漏工裝設(shè)計、壓力真空法檢漏方法適用于壓力傳感器的檢漏要求。

6 結(jié)論

本文針對壓電式壓力傳感器檢漏現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前檢漏方法——吸槍法的不足，設(shè)計了針對壓力傳感器的壓力真空檢漏方法，并針對CY-YD-203型壓力傳感器設(shè)計了使用壓力真空法進(jìn)行檢漏試驗的真空室及其檢漏工裝。并且針對CY-YD-203型傳感器進(jìn)行了檢漏試驗驗證，試驗結(jié)果表明檢漏工裝設(shè)計、壓力真空法檢漏方法適用于壓力傳感器的檢漏要求。