壓力傳感器實時校準方法分析

[摘 要]文章描述了壓力測試系統(tǒng)壓力傳感器實時校準的幾種方法。具體介紹了PSI公司的PSI780B、PSI8400和PSI7010/16電子掃描壓力測量系統(tǒng)中壓力傳感器實時校準裝置系統(tǒng)組成、工作原理和部件功能。通過討論和分析，為從事壓力測量的設(shè)計人員提供理論和試驗參考。

[關(guān)鍵詞]多通道；壓力測試系統(tǒng)；傳感器；實時校準

[中圖分類號]TP212.12 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0153–03

Analysis of Real-Time Calibration Methods for Pressure Sensors

ZHANG Tianwen，HUANG Xiwang，RAO Qianqian，LI Puliang

[Abstract]This article describes several methods for real-time calibration of pressure sensors in pressure testing systems. This article specifically introduces the composition， working principle， and component functions of the pressure sensor real-time calibration device system in PSI’s PSI780B， PSI8400， and PSI7010/16 electronic scanning pressure measurement systems. Provide theoretical and experimental references for designers engaged in pressure measurement through discussion and analysis.

[Keywords]multi-channel； pressure testing system； sensors； real time calibration

在航空發(fā)動機壓力測試中，壓力傳感器校準是一個不可缺少的重要環(huán)節(jié)。試驗一般要求測點多，而同一截面壓力范圍相當，并且由于發(fā)動機自身的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)部件等因素決定了待測壓力參數(shù)的脈動特性，要求測試同步。因此，壓力測試必須每個測點對應(yīng)一個壓力傳感器。這樣傳感器用量肯定較多。對于多個傳感器如要逐個進行人工“給壓力記數(shù)據(jù)”的方式進行校準，不僅費工費時，數(shù)據(jù)事后處理也很繁瑣。且這樣重復(fù)性工作多了，很易疲勞出錯，影響傳感器的校準精度。另外，從傳感器本身看，其輸入輸出特性并非只需校準一次即可長期保證使用精度，而是隨溫度等環(huán)境條件的變化而變化，對于時溫漂較大傳感器表現(xiàn)尤為突出。經(jīng)過一段時間的使用之后，其特性曲線系數(shù)必須重新校準，以確定新系數(shù)才能保證測量精度。這樣，反反復(fù)復(fù)校準的工作量是巨大的。為此，國際國內(nèi)從事測試儀器研制的單位研制出了幾種具有現(xiàn)場實時校準功能的壓力測量系統(tǒng)，正在為航空發(fā)動機或其他大型風(fēng)洞試驗等高科技領(lǐng)域所廣泛采用，成為多點壓測量技術(shù)的主流。文章就PSI780B、PSI8400、PSI9010/9016等幾種系統(tǒng)中實時校準這一關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 傳感器校準概述

1.1 校準必要性

校準可確保從設(shè)備獲取的測量值接近真實值。工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域，準確測量參數(shù)以設(shè)計獲得可重復(fù)結(jié)果的過程或?qū)嶒灧浅Ｖ匾?。在某些情況下，參數(shù)初始條件的微小變化可能會導(dǎo)致結(jié)果發(fā)生較大變化，因此準確的測量至關(guān)重要。具體包括以下方面：①通過校準，可以確保校準的產(chǎn)品和組件按預(yù)期運行并且可以安全使用。②經(jīng)過校準的組件和設(shè)備將可靠地生產(chǎn)標準化產(chǎn)品。③縮短生產(chǎn)時間。當質(zhì)量組件可用時，不會浪費時間更換超出公差的組件。④確保符合行業(yè)法規(guī)和公司認證。⑤校準將允許可靠地報告產(chǎn)品精度。⑥提高一致性和可靠性。按照適當規(guī)格制造的產(chǎn)品性能更好，使用壽命更長。⑦漂移補償。漂移誤差通過定期校準得到糾正。⑧預(yù)防和預(yù)測過程故障?？煽壳覝蚀_的傳感器可以檢測到逐漸超出公差的過程條件。

1.2 校準原理

壓力傳感器校準是對其輸出信號進行校正，以提高測量精度和可靠性。傳感器的校準原理是在傳感器校準時，將傳感器的輸出值和標準測量值進行比對，通過調(diào)整傳感器的參數(shù)來消除誤差，使傳感器的輸出值與實際測量值一致。

2 壓力傳感器校準方法

2.1 常用校準方法

2.1.1 靜態(tài)校準法

靜態(tài)校準法需要將壓力傳感器與已知值進行對比，包括負載或稱重儀器等。該方法的優(yōu)點在于測量簡便，但缺點是校準過程需要使用其他儀器，同時需要注意環(huán)境因素對測量結(jié)果的影響。

2.1.2 動態(tài)校準法

動態(tài)校準法需要通過實際場景下的應(yīng)用測試來比對，通常需要使用標準壓力傳感器、壓力泵及信號發(fā)生器等。該方法的優(yōu)點在于能夠模擬實際應(yīng)用中的壓力波動情況，對壓力傳感器的穩(wěn)定性和響應(yīng)時間的檢測更為準確。

對于穩(wěn)態(tài)用壓力傳感器通常采用靜態(tài)校準方法，但由于在實際實驗過程中壓力測點多，傳感器用量大，拆裝難度高，試驗現(xiàn)場對傳感器的穩(wěn)定性和時間響應(yīng)方面也提出了更嚴格的要求，校準工作量也隨之增大。針對這種情況，考慮采用多點實時校準的方法。

2.2 實時校準技術(shù)共同點

（1）采用“多點校準壓力”進行校準以獲得傳感器曲線方程。在傳感器精度中，非線性誤差占了較大比重，一般在±（0.1～0.2）%F.S，采用二次及以上曲線，其誤差可減少±0.05%F.S。

（2）多路（氣動切換）校準閥的研制和應(yīng)用使傳感器校準無需把傳感器從測量氣路中分離出來，就能實現(xiàn)校準與測量兩位置方便切換。

（3）壓力校準均采用±0.05%F.S及以上高精度的壓力傳感器或標準壓力計。

（4）聯(lián)機校準。聯(lián)機校準時用0.7 MPa左右的控制壓力把校準閥推到校準位置，隨后施加給定的校準壓力PCAL給被校傳感器。由計算機采集傳感器輸出的電信號U，然后通過PCAL與U的函數(shù)關(guān)系p=f（U）求得相關(guān)的系數(shù)，以確定這一函數(shù)關(guān)系式。校準完成后，控制壓力把校準閥推回到測試位置。

2.3 校準現(xiàn)狀

中國航發(fā)湖南動力機械研究所（以下簡稱“湖南動力機械所”）目前使用的是美國Ruska公司的活塞壓力計壓力校準裝置，該設(shè)備精度高，準確度等級為±0.0035%，且操作簡單，能滿足湖南動力機械所對壓力測試設(shè)備校準的精度要求。但該設(shè)備校準時配套設(shè)備較多，環(huán)境要求高，且需使用電腦端軟件進行操作，很難進行現(xiàn)場實時校準。

3 常用的實時校準方法

3.1 PSI780B壓力測量系統(tǒng)校準方法

湖南動力機械所在1990年、1991年引進了2套PSI780B系統(tǒng)，為其發(fā)動機壓力測量發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)中的壓力實時校準技術(shù)代表著壓力校準的先進水平，其壓力校準單元（PCU）如圖1所示。

圖中EV1～EV2為氣控電磁閥，R1～R2為復(fù)合調(diào)壓閥。從外面提供電0.7 MPa氣源給壓力校準單元。部件功能如下。

（1）控制壓力P1、P2，實現(xiàn)用氣動方式將傳感器組件接通到校準位置或工作位置。

（2）用復(fù)合調(diào)壓器（R1～R3）。手動選擇一種量程內(nèi)的“三點校準壓力”一般調(diào)定在0、1/2PFS、PFS（PFS為滿量程壓力）。

（3）氣控電磁閥（EV1～EV5）?？刂菩盘栱樞蚪油饪仉姶砰yEV1～EV5，發(fā)現(xiàn)被校傳感器的工作與校準位置切換，并通過校準端口輸出“三點校準壓力”給壓力傳感器組件。

（4）數(shù)字石英傳感器。實現(xiàn)對校準壓力PCAL的準確測量，即給出壓力真值。

利用“三點校準壓力”的方法對傳感器進行校準，通過系統(tǒng)計算單元處理，獲得各傳感器的二次系數(shù)并以此系數(shù)實現(xiàn)對被測壓力的測量。

3.2 PSI8400壓力測量系統(tǒng)校準方法

PSI8400是PSI公司最新發(fā)展的系統(tǒng)，采用“五點校準”方式。與PSI780B比較，其顯著的不同點在于校準氣動調(diào)壓方法發(fā)生了變化，即由手動復(fù)合調(diào)壓發(fā)展為壓力伺服閥為基礎(chǔ)的自動無級調(diào)壓方式。其原理如圖2所示。

PSI8400由高精度石英晶振壓力傳感器（精度：±0.02%FS）、硅壓阻傳感器S100DH和壓力伺服閥組成閉合回路，受單片微機HD64180控制，在校準口輸出精度為±0.02%F.S的標準壓力。利用這種方式，“5個校準壓力”不需要通過電磁閥一路路的施加壓力，而是利用單片機閉路反饋調(diào)節(jié)壓力伺服閥輸出壓力，大幅簡化了氣路結(jié)構(gòu)。

另外，被校準傳感器的系數(shù)處理，是用四次方程求解得到的。

3.3 PSI9010/9016校準方法

PSI9010/9016校準方法不同于PSI780B和PSI8400，是一種數(shù)字溫度補償型壓力校準方法。其設(shè)計思想是基于硅壓阻傳感器受溫度影響較大，于是在系統(tǒng)設(shè)計時，選用“雙參數(shù)”硅壓阻傳感器（能測p、t）。將傳感器系數(shù)與溫度的關(guān)系通過實驗的方法在出廠前確定，存于傳感器的E2PROM中。通過校零（REZERO）和間距校準（SPAN）修正零位、非線性和溫度熱影響。

校準時經(jīng)常校零，3～6個月給一個滿程標準壓力進行間距（SPAN）校準，就能滿足精度要求。

DSY128是國產(chǎn)電子掃描多點壓力測量系統(tǒng)，類似PSI780B的測壓設(shè)備。校準方法與PSI780B相同，也是“三點校準”壓力標準，采用浮壞球壓力計、振動簡傳感器和數(shù)字石英傳感器作為壓力標準。另外，如果被測傳感器的正反對稱性較好，還可以利用反向加壓校準正向測壓的方法。

考慮采用反向加壓校準正向測壓，是由于在正向壓力校準后必須通過校準切換閥將壓力模塊的校準狀態(tài)切換至測量狀態(tài)，而壓力模塊中校準切換閥加工難度較大，給校準工作增加難度。由于壓力傳感器正向和反向均為密封狀態(tài)當被測傳感器正反對稱性較好時，可在傳感器段給定一個反向壓力校準，待校準完成后將傳感器校準壓力完全泄壓，之后就可在正端直接進行測量，由此省掉校準切換閥這一步驟。

4 結(jié)論

通過上述對目前多點壓力傳感器幾種實時校準技術(shù)進行的分析，其共同點是明顯的，可得到下面幾點結(jié)論和建議。

（1）要建立具有實時校準功能的壓力測試系統(tǒng)，需要研制出能滿足各種壓力條件下的多路校準閥。因為多路校準閥是實時校準系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，為現(xiàn)場校準方法提供了必要條件。

（2）測壓系統(tǒng)如果增加現(xiàn)場實時校準功能，所需要的測量傳感器的技術(shù)指標可以降低，只要在測試前進行校準，修正傳感器的溫漂誤差，就能使測壓系統(tǒng)具有較好的短時間精度特性。精度可做到優(yōu)于±0.1%F.S，這樣既節(jié)省組建測壓系統(tǒng)經(jīng)費，又保證測壓精度。

（3）實時校準系統(tǒng)建議采用PSI9010/9016系統(tǒng)的形式，其技術(shù)水平較高，但會受到無“雙參數(shù)”傳感器的限制。隨著我國傳感器的發(fā)展，這一方法可借鑒。

參考文獻

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