世通儀器關于高溫微壓力傳感器校準實的研究
在航天航空領域，常常需要在惡劣環(huán)境下實時測量環(huán)境的各種相關參量，其中就包括微小壓力測量。由于測試工作處于高溫、高熱流、強電磁干擾、劇烈振動等惡劣的條件下，并且待測壓力微小，此外還要求小型化、低功耗，故而傳統(tǒng)的硅微壓力傳感器已難以滿足測試需求。相比之下光纖壓力傳感器有著無可比擬的優(yōu)勢:測量精度高、抗電磁干擾能力良好、絕緣性能好、性能穩(wěn)定等，因此光纖壓力傳感器*接近測試需求。F-P光纖壓力傳感器更是以極高的測量靈敏度和精度、成熟的微壓測量技術成為*，且只需在探頭結構上輔以耐高溫技術手段，使其能夠適應高溫環(huán)境，即能*終滿足測試的要求。

    高溫微壓力傳感器基于F-P干涉敏感原理，使用耐高溫材料制作外殼和支撐架，部件連接采用固體焊接等耐高溫工藝，實現(xiàn)了在無引壓管情況下對800℃高溫介質微小壓力的直接測量，并且通過對彈性敏感組件等易損件采取專門的限位、加固措施，提高了抗沖擊、振動能力。為了在地面實驗室模擬傳感器的實際安裝測量環(huán)境，我們設計了一種適用于高溫微壓力傳感器的儀器校準實驗系統(tǒng)，通過高低溫真空試驗裝置和人機軟件的結合，為儀器校準提供了一個穩(wěn)定可靠、安全便捷的實驗平臺。

1、傳感器測量原理

(1) 微壓力測量原理

    高溫微壓力傳感器采用的是F-P干涉敏感原理，根據(jù)Fabry-Perot共振效應，F(xiàn)-P共振腔反射光的波長變化與兩反射面之間的距離呈函數(shù)關系。如圖1所示，為傳感器原理示意圖，感壓反射面及其支撐膜片和靜止反射面就構成了一個完整的F-P共振式壓力敏感結構。根據(jù)薄膜彈性形變原理，壓力敏感膜片在外界壓力的作用下發(fā)生形變，從而改變F-P腔腔長，引起干涉譜變化，通過測量干涉光譜，即可得到作用在壓力敏感膜上的壓力變化，從而達到測量壓力的目的。該結構的特點是靈敏度極高，可感受兩個鏡面之間納米級的位移變化，可滿足500 Pa微小壓力的測量需要。

(2) 傳感器的儀器校準原理

    在傳感器探頭確定的情況下，參數(shù)k1,k的值可以通過公式直接計算求得，而溫度敏感系數(shù)k2以及補償修正常數(shù)C則需要通過校準實驗才能確定。

    將被校傳感器與壓力、溫度標準具置于同一載荷環(huán)境，通過標準具得到壓力、溫度的標準量，通過解調模塊得到傳感器的輸出值。將標準輸人量與被校傳感器的輸出值繪制成傳感器的校準曲線，再根據(jù)校準數(shù)據(jù)采用*小二乘法確定傳感器的工作直線，用工作直線反映傳感器的輸人和輸出之間的關系，從而確定k2及C的取值。通過校準曲線與工作直線的比較，可以計算得到被校傳感器的靜態(tài)基本性能指標。

    校準過程中，校準點數(shù)通常取6～11，校準循環(huán)次數(shù)通常取3～5，具體大小取決于被校傳感器的精度和使用要求。

2、校準實驗系統(tǒng)設計

    儀器校準實驗系統(tǒng)由高低溫真空試驗裝置和上位機人機軟件組成，其中使用壓力薄膜規(guī)和鎳鉻熱電偶分別作為壓力、溫度參量基準，使用解調模塊讀出被校傳感器的輸出，系統(tǒng)結構如圖2所示。

(1) 高低溫真空實驗裝置

    高低溫真空實驗裝置是為了模擬傳感器實際測量環(huán)境而專門設計的，可以實現(xiàn)壓力、溫度的復合加載，由腔體、壓力控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和水冷循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。

1) 腔體結構

    腔體是高低溫試驗裝置的核心部分，通過隔板分為載荷室和環(huán)境室兩個腔室。載荷室模擬傳感器前端接觸到的外界環(huán)境，如高溫、近真空、微小壓力，即殼體外表面環(huán)境;環(huán)境室模擬傳感器后端的工作環(huán)境，也就是殼體內部的環(huán)境。腔室結構示意圖如圖3所示。

為了實現(xiàn)對載荷室溫度、壓力的復合加載，在載荷室的四周放置鎳鉻加熱板加熱，并帶有熱屏蔽板，使用兩根鎳鉻熱電偶測量載荷室環(huán)境溫度，作為參考溫度基準。在室溫～375℃的范圍內，其測量精度為±1.5℃;在375～800℃的范圍內，其測量精度為0.4%。通過壓力控制系統(tǒng)調節(jié)載荷室內環(huán)境壓力，使用MKS公司626系列壓力薄膜規(guī)作為參考壓力基準，其壓力測量范圍0.2～266 Pa,測量精度0.12%。

2) 壓力控制系統(tǒng)

    壓力控制系統(tǒng)能夠將載荷室和環(huán)境室抽至高真空狀態(tài)，此外還可以調節(jié)載荷室內環(huán)境壓力。它由機械泵、分子泵、限流閥、壓控儀、氣體流量計等部件組成。其中限流閥、壓控儀用于腔室內壓力的控制，氣體流量計用于調節(jié)補氣流量大小。

    系統(tǒng)控制邏輯如圖4所示。壓控儀接收參數(shù)設置信號，與薄膜規(guī)測量信號進行比較，根據(jù)比較結果調節(jié)限流閥開度的大小，經(jīng)過不斷地調節(jié)控制*終達到動態(tài)平衡，使得載荷室內氣壓等于設定壓力值。此外，可以根據(jù)設定壓力的大小調節(jié)補氣閥開度大小，例如若要達到一個較大的壓力值，則可以適當增大補氣流量，使得載荷室內氣壓更快地上升到設定壓力。

3) 溫度控制系統(tǒng)

    系統(tǒng)采用鎳鉻加熱板加熱，通過調節(jié)加熱電流的大小達到控溫的目的。加熱電源采用PID控制系統(tǒng)，可以使載荷室從室溫快速加溫到800℃，并且溫度可調、控溫。

4) 水冷循環(huán)系統(tǒng)

    系統(tǒng)配有水冷循環(huán)系統(tǒng)用于系統(tǒng)整體的冷卻，其中載荷室配置TC WS制冷循環(huán)水機，控溫范圍為10～27℃，給腔室、分子泵等提供穩(wěn)定的制冷循環(huán)水，保證設備穩(wěn)定運行。

(2) 上位機人機軟件

    為了方便高溫微壓力傳感器的儀器校準試驗，我們使用FameView組態(tài)軟件編寫了上位機人機軟件。該軟件主要用于實時監(jiān)控載荷室和環(huán)境室的壓力、溫度狀況，此外還具有數(shù)據(jù)存儲處理功能。軟件通過RS232協(xié)議與PLC進行通信，經(jīng)由PLC控制高低溫真空試驗裝置各個組件，實現(xiàn)了通過計算機遠程控制的目的。

    圖5為該軟件載荷室壓力監(jiān)控界面，當壓力設定增大時，由于需要補氣故響應速度較慢，相比之下，壓力設定減小時響應迅速。

我們選用的PLC為臺達公司的DVP32EH，附加8路AD和DA模塊，使用Delta_ WPLSoft_ V2.33軟件編寫PLC控制程序，程序內容包括PLC對高低溫試驗裝置各個組件例如抽氣泵、閥門、加熱開關等的邏輯控制，數(shù)據(jù)的讀出和寫人以及其他相關功能。

3、傳感器的儀器校準實驗

(1) 儀器校準實驗過程

    傳感器的校準實驗是為了測試高溫微壓力傳感器在不同溫度環(huán)境下，尤其是在高溫環(huán)境下能否保持較高的測量精度和重復性，進而根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對傳感器進行儀器校準，使得傳感器能夠在溫度變化的環(huán)境下保持較高的測量精度和測量重復性。

    儀器校準實驗按照校準原理可分為以下環(huán)節(jié):①測試傳感器在不同溫度下的壓力敏感性能;②測試傳感器輸出與環(huán)境溫度之間的關系，并以此對傳感器進行校準，對溫度的影響作出補償;③壓力、溫度復合加載試驗，測試校準后的傳感器能否滿足實際的應用需求。

如果不符合要求則需要重新校準，結果仍不理想則表明傳感器自身存在缺陷，需要進一步優(yōu)化設計。

    由上述可知，傳感器的校準需要大量的實驗，受篇幅所限在此不多贅述，故這里只測試傳感器在不同溫度下的壓力敏感性能，目的是驗證該儀器校準實驗系統(tǒng)是否達到期望的使用要求。

(2) 實驗結果

    調節(jié)載荷室溫度至30℃，保持溫度恒定的同時逐步增大壓力，記錄反射光波長，反復測量3次;提高載荷室腔內溫度至250℃，重復上述實驗。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

經(jīng)過計算，在30℃溫度環(huán)境下，傳感器非線性為1.77%，重復性為1.31%，綜合精度為3.07%;而在250℃高溫環(huán)境下，傳感器非線性為3.05%，重復性為2.07，綜合精度為5.12%。以上結果表明，溫度升高對實驗傳感器的輸出有較明顯的影響，整體性能也有所降低。此外，通過此次儀器校準實驗，很好地驗證了該校準實驗系統(tǒng)的使用性能，在實驗過程中，載荷室內溫度能長時間穩(wěn)定在設定值±2℃的范圍內，壓力調節(jié)方便可靠，能較快地達到設定氣壓值，并穩(wěn)定在設定值10.2Pa的范圍內。

    綜上所述，該儀器校準實驗系統(tǒng)使此次校準實驗進行順利，很好地滿足了實際需求，達到了設計要求。(szhuorq752455st)

4、結束語

    通過分析高溫光纖微壓力傳感器的測量結構和儀器校準原理，設計了一套基于高低溫試驗裝置和上位機人機軟件的校準實驗系統(tǒng)，在地面實驗室模擬了傳感器實際測壓環(huán)境，實現(xiàn)了傳感器在高溫微小壓力環(huán)境下的校準。實驗結果表明，該儀器校準實驗系統(tǒng)能很好地滿足測試需求，是一個穩(wěn)定可靠、安全便捷的測試平臺，為下一步傳感器的儀器校準工作提供了保障。

關于世通：

廣東省世通儀器檢測服務有限公司占地，實驗室面積達1200平方米。校準源齊全，擁有福祿克、惠普、安捷倫、菊水、新天等大批進口國產高端儀器，覆蓋校準檢測范圍廣。中心設有:力學、長度、衡器、電學、電磁、熱工、幾何量、輕工物性等*校準檢測實驗室。本校準與檢測中心可對以上類別范圍的各國儀器和相關產品進行校準和檢測并出具國際認可的校準證書或檢測報告。

長度計量：
長度計量校準實驗室：量傳歷史*長、標準設備*全、檢測維修能力*強的實驗室，本室共建有量塊、平直度、粗糙度、光學儀器、測繪儀器、通用量具、精密測量、三坐標測量機、圓度儀、驗光標準器組等共55項社會公用計量標準，負責本地區(qū)的幾何量的量值傳遞，提供檢測和校準服務，開展各項目計量儀器的、校準、修理。

開展的／校準項目： 量塊、平晶、干涉儀、測長儀、經(jīng)緯儀、水準儀、測厚儀、坐標測長機、光學計、投影儀、影像測繪儀、工具顯微鏡、電動輪廓儀、氣動量儀、偏擺儀、測微儀、液塑限測定儀、直角尺儀、百分表儀、千分表儀、量儀測力儀、水平儀器、水平儀零位器、測量顯微鏡、讀數(shù)顯微鏡、金相顯微鏡、光學平直儀、水平尺、電子水平儀、合象水平儀、框式水平儀、平板、平尺、寬座角尺、刀口尺、線紋鋼直角尺、角尺、卡尺、千分尺、指示表、內徑表、杠桿表、數(shù)顯表、鋼卷尺、鋼直尺、塞尺、工程檢測尺、方箱、環(huán)規(guī)、螺紋量規(guī)、表面粗糙度樣塊、半徑樣板、螺紋樣板、滑板式汽車側滑檢驗臺、輪偏檢測儀、線纜計米器、線速激光測徑。對有關長度、角度、粗糙度、平面度、線紋、端度、形狀與相互位置的量值進行校準。