應(yīng)用于PSP校準(zhǔn)的壓力傳感器設(shè)計(jì)

沈陽儀表科學(xué)研究院有限公司 金 琦 楊吉鵬 魏曉明 李 斌 王 靜

1 技術(shù)背景

壓力敏感涂料（Pressure Sensitive Paint-PSP）是近年來發(fā)展起來的一種非接觸的測壓技術(shù)。隨著PSP技術(shù)在航空風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、汽車風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多，各種快速響應(yīng)涂料相繼研發(fā)并應(yīng)用到各種實(shí)驗(yàn)中，與此同時，對新型涂料性能的評估和標(biāo)定，以及在靜態(tài)條件下的測試技術(shù)也需要革新。

目前，國內(nèi)許多科研單位采用進(jìn)口的動態(tài)壓力傳感器對快速響應(yīng)涂料的性能進(jìn)行校準(zhǔn)、評估工作。這類傳感器的主要特點(diǎn)是：適合高溫工作環(huán)境、自身固有頻率高、體積小等特點(diǎn)，但是在針對各類特種實(shí)驗(yàn)研發(fā)的特種涂料的校準(zhǔn)測試中，傳感器的參數(shù)很難做到完全匹配?；谶@個原因，結(jié)合發(fā)動機(jī)研究院某型葉柵快速PSP涂料校準(zhǔn)訂制研發(fā)了一種新型的動態(tài)壓力傳感器，該傳感器針對特種涂料，按計(jì)算和實(shí)驗(yàn)需求給出壓力范圍精度、頻響、信號輸出類型、整體結(jié)構(gòu)尺寸等必要的參數(shù)，在最終的實(shí)驗(yàn)中，準(zhǔn)確快速的完成對涂料動態(tài)性能的校準(zhǔn)和比對。

2 核心技術(shù)

2.1 高速響應(yīng)的PSP校準(zhǔn)技術(shù)

本次設(shè)計(jì)采用全程可控的激波裝置為涂料響應(yīng)時間進(jìn)行測試，激波裝置的工作原理如圖1所示。設(shè)備的的橫截面為自定義矩形，高速氣體加速段和爆破段的壓比為人為設(shè)定。整個設(shè)備啟動時，由于加速段與爆破段間的壓力差作用而導(dǎo)致中間膜爆破，因而形成動態(tài)的激波。在爆破段管內(nèi)壁上安裝動態(tài)壓力傳感器與PSP涂料試件，采用波長可控的連續(xù)式激光器作為PSP試件的激勵光源，PSP試件產(chǎn)生的反射光信號通過濾光鏡過濾不需要的光波，最后的有用信號利用數(shù)采設(shè)備進(jìn)行采集處理。

圖1 整體試驗(yàn)設(shè)備工作示意圖

2.2 動態(tài)壓力傳感器技術(shù)

具有寬的頻響、優(yōu)良的動態(tài)性能的壓力傳感器在PSP校準(zhǔn)試驗(yàn)中起到非常關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的應(yīng)變式壓力傳感器，因本身太低的固有頻率早已滿足不了需要；而一直以來用于動態(tài)壓力測量的壓電式壓力傳感器也越來越難以適應(yīng)寬廣而苛刻的測試要求。最新的研究表明采用硅壓阻式原理的壓力傳感器代替壓電式傳感器將對試驗(yàn)的各項(xiàng)性能、參數(shù)、指標(biāo)和校準(zhǔn)結(jié)果起到更好的效果。

目前，硅壓阻式壓力傳感器大多采用兩種方式：一是充灌定量的硅油當(dāng)介質(zhì)來隔離被測壓力與敏感器件，這種結(jié)構(gòu)的傳感器體積較大、且高溫性能普遍較差，不適用于小空間和高溫的測試環(huán)境中；二是一種由軟引線做為輸出信號的非充油式封裝結(jié)構(gòu)，其測壓的敏感芯片和導(dǎo)電的鍵合引線外露，導(dǎo)致傳感器耐腐蝕性和穩(wěn)定性極差。本文涉及的傳感器采用新的設(shè)計(jì)和工藝，產(chǎn)品體積滿足用戶要求，并且可以在200℃溫度下穩(wěn)定工作，同時具有較高的靈敏度和精度。

3 傳感器設(shè)計(jì)原理及技術(shù)參數(shù)

3.1 傳感器設(shè)計(jì)原理

本次設(shè)計(jì)的壓阻式壓力傳感器采用SOI壓力敏感芯片做為敏感元件，采用無引線封裝工藝，同時保證了產(chǎn)品體積小且避免了鍵合引線的使用，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過可靠性分析和在極限溫度下的性能測試，該傳感器性能優(yōu)良，可應(yīng)用于-55℃~200℃全溫區(qū)內(nèi)的動態(tài)和靜態(tài)壓力測量，且產(chǎn)品裝配工藝按實(shí)際需求訂制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品性能完全符合試驗(yàn)要求。

3.2 傳感器技術(shù)參數(shù)

表1 動態(tài)壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

3.3 傳感器結(jié)構(gòu)

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用領(lǐng)域

本文研究了快速響應(yīng)PSP涂料在高速葉柵葉片表面動態(tài)壓力測量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，其中，最重要的基準(zhǔn)源之一的動態(tài)壓力傳感器的研發(fā)，取得了理想效果，為今后類似實(shí)驗(yàn)夯實(shí)了基礎(chǔ)，提供了可參考標(biāo)準(zhǔn)。另外，隨著PSP技術(shù)日新月異的發(fā)展，很快將廣泛的應(yīng)用在民用航空、航天、汽車等領(lǐng)域，而作為動態(tài)指標(biāo)檢測的基準(zhǔn)源，此類的壓力傳感器也將得到更廣泛的應(yīng)用。