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用于壓力傳感器的高精度自動標(biāo)定系統(tǒng) 針對現(xiàn)有壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)存在的精度差、自動化程度低等問題，文中選用ＧＥ ＤＰＳ８０００高精度壓力傳感器作為系統(tǒng)基準(zhǔn)壓力傳感器，設(shè)計了多功能壓力腔以及壓力粗調(diào)與微調(diào)相配合的壓力調(diào)節(jié)模塊，并基于 Ｃ＋＋程序設(shè)計語言編寫系統(tǒng)軟件，搭建用于壓力傳感器的高精度自動標(biāo)定系統(tǒng)。 實驗表明，搭建的標(biāo)定系統(tǒng)可實現(xiàn)腔內(nèi)壓力在 ３０ ｓ 內(nèi)快速達到期望壓力值，并且壓力控制精度可達±１Ｐａ。 通過對壓力傳感器進行自動標(biāo)定測試實驗，可實現(xiàn)壓力傳感器的全程自動標(biāo)定。 研究證明本系統(tǒng)具有自動化程度高、高精度標(biāo)定等特點。 ０ 引言 壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天等領(lǐng)域。尤其在醫(yī)療領(lǐng)域其作為測量壓力的核心部件，常需要小量程、高精度的壓力傳感器［１－３］ 。 然而由于制作材料、工藝等因素會引入一些誤差，導(dǎo)致壓力傳感器實際測量的壓力值與真實值存在一定的偏差，所以必須在其使用前進行標(biāo)定校驗［４－５］ 。 目前，常用標(biāo)定裝置有活塞壓力計、杠桿式和彈簧測力計式標(biāo)定機［６－８］ 。這些標(biāo)定裝置在進行壓力標(biāo)定時，需要手動按照復(fù)雜的標(biāo)定程序進行標(biāo)定，手動標(biāo)定存在控制精度低、系統(tǒng)誤差大，標(biāo)定結(jié)果不準(zhǔn)確，以及工作效率低和高成本等問題。 因此，這些標(biāo)定裝置并不能很好的適用壓力傳感器的高精度標(biāo)定。 隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，科研人員研究并搭建了較高精度的自動標(biāo)定系統(tǒng)。 例如王洋等搭建了控制精度為±１８０ Ｐａ 的壓力控制系統(tǒng)［９］ ；Ｌｏｕ 等基于 ＡＤＴＳ４０５ 壓力控制器搭建的壓力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)［１０］ 。 針對上述現(xiàn)狀，為了實現(xiàn)壓力高精度控制以及全過程自動化標(biāo)定的需求，本文采用粗、微調(diào)節(jié)壓力的方式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計并搭建了用于壓力傳感器的高精度自動標(biāo)定系統(tǒng)，并且將原來復(fù)雜的標(biāo)定過程編寫成計算機軟件，整體系統(tǒng)操作簡單、響應(yīng)速度快、控制精度高，可實現(xiàn)壓力傳感器標(biāo)定全程自動化，有效提高標(biāo)定效率。 １ 工作原理
式中：Ｐ 為氣體壓強，Ｐａ；Ｖ 為容器的體積，ｍ３；ｎ 為物質(zhì)的量，ｍｏｌ；Ｍ 為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，ｋｇ· ｍｏｌ－１；Ｔ 為溫度，Ｋ；ｍ 為質(zhì)量，ｋｇ。 當(dāng)向壓力腔內(nèi)充氣時，微觀上氣體分子數(shù)勢必會增多，氣體分子對器壁的碰撞更加頻繁，每次分子對器壁的撞擊作用也變大。 因此，腔內(nèi)壓力可以通過改變腔內(nèi)氣體的質(zhì)量來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，如圖 １ 所示。
圖 １ 腔內(nèi)壓力變化原理示意圖 基于上述腔內(nèi)壓力特性分析，以及工程成本與腔內(nèi)壓力調(diào)節(jié)速度的考慮。 根據(jù)壓力粗調(diào)、微調(diào)的思路，本文設(shè)計了粗調(diào)閥、微調(diào)閥相結(jié)合的壓力調(diào)節(jié)模塊，該模塊通過調(diào)節(jié)控制電壓來改變進入壓力腔的氣體質(zhì)量最終實現(xiàn)腔內(nèi)壓力的高精度調(diào)節(jié)，如圖 ２ 所示。標(biāo)定系統(tǒng)在進行壓力調(diào)節(jié)時，首先通過調(diào)節(jié)粗調(diào)閥的控制電壓，實現(xiàn)腔內(nèi)壓力在 １５ ｓ 內(nèi)調(diào)節(jié)到期望壓力值±２０ Ｐａ 內(nèi)。 其次，系統(tǒng)程序?qū)⒋终{(diào)后腔內(nèi)的壓力值與期望壓力值進行比較，以此判斷升壓微調(diào)閥和降壓微調(diào)閥的工作狀態(tài)。 最后，通過控制微調(diào)閥的控制電壓，可完成腔內(nèi)壓力的 Ｐａ 級調(diào)節(jié)，系統(tǒng)通過粗調(diào)閥與微調(diào)閥的配合最終實現(xiàn)腔內(nèi)壓力快速高精度控制。 ２ 標(biāo)定系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 基于上述工作原理，本文搭建的標(biāo)定系統(tǒng)由硬件和軟件 ２ 部分組成，其中實現(xiàn)快速、高精度的壓力控制首先取決于系統(tǒng)的硬件性能，硬件部分由壓力腔、壓力調(diào)節(jié)模塊、控制器、信號輸出模塊組成，如圖 ３ 所示。系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)主要由軟件部分決定，通過 Ｃ＋＋程序設(shè)計語言開發(fā)了自動標(biāo)定軟件，使標(biāo)定全程自動化。 其中包括程序控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊 ３ 部分組成。 ２.１ 硬件系統(tǒng)設(shè)計 整個壓力腔設(shè)計了 ３ 個進出氣口，實現(xiàn)了“一進一出一監(jiān)測”的目的，其中“一進”作為調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力的通道，將壓力腔與外部氣路結(jié)合成一個整體；“一出”是基于對安全的考慮，通過配套安裝大流量手動開關(guān)閥，可以將腔內(nèi)壓力快速卸載；“一監(jiān)測”是通過該氣口與基準(zhǔn)壓力傳感器進行連接，達到實時監(jiān)測腔內(nèi)壓力的目的，根據(jù)國標(biāo)中對基準(zhǔn)傳感器的規(guī)定，本文選用 ＧＥ 高精度數(shù)字壓力傳感器作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)壓力傳感器，其量程為 ０～１２０ｋＰａ，精度為±０.０１％ＦＳ，使用時通過 ＲＳ２３２ 串行通訊接口與 ＰＣ 端連接，可實時顯示腔內(nèi)壓力值。 將腔內(nèi)壓力快速準(zhǔn)確的穩(wěn)定在期望值，其關(guān)鍵在于準(zhǔn)確的控制壓力腔中的氣體量，針對腔內(nèi)壓力達到即要高控制精度又要快速穩(wěn)定的目的，本文設(shè)計了粗調(diào)閥與微調(diào)閥相配合的壓力調(diào)節(jié)模塊。 該氣路由電氣比例閥（比例閥 １）、微流量比例閥（比例閥 ２）構(gòu)成。比例閥 １ 自帶閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸出壓力與 ０ ～ １０ Ｖ 的控制電壓呈線性關(guān)系，閥體內(nèi)部的壓力傳感器和控制電路確保輸出壓力的精確調(diào)節(jié)，壓力控制精度可達±０．１％ＦＳ。 比例閥 ２ 負責(zé)升、降壓微調(diào)。 微調(diào)閥的閥體內(nèi)部為極薄彈性金屬片兩面粘結(jié)壓電晶體，在壓電片的 ２ 個工作面上真空鍍膜形成 ２ 個電極，利用壓電片在電場作用下的變形，來實現(xiàn)閥體內(nèi)部微型氣路的流量調(diào)節(jié)，微調(diào)閥的最大工作流量為 １．５ Ｌ ／ ｍｉｎ，響應(yīng)時間小于 ２ ｍｓ，微小的工作流量以及極快的響應(yīng)速度為實現(xiàn)腔內(nèi)壓力的 Ｐａ 級調(diào)節(jié)提供保障。
圖 ４ 壓力腔整體設(shè)計圖 本系統(tǒng)選用三路可編程直流電源作為控制器，該電源具有優(yōu)異的輸出精度，誤差在 ０.１％內(nèi)，紋波有效值低于 ２５０ μＶ，峰峰值低于 ３ ｍＶ，可使電壓輸出穩(wěn)定，并且電壓分辨率可達 ０．１ ｍＶ，極低的分辨率可使微小壓力調(diào)節(jié)更易控制。 標(biāo)定過程中，腔內(nèi)待標(biāo)定壓力傳感器的信號由信號輸出模塊進行輸出，該模塊采用 Ａｒｄｕｉｎｏ 單片機作為主控制器，通過 ＵＳＢ 串口將采集到的信號傳輸 ＰＣ端數(shù)據(jù)采集模塊進行存儲，等待后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。 ２.２ 軟件系統(tǒng)設(shè)計 ２.２.１ 單點測試功能設(shè)計 ２.２.２ 自動標(biāo)定功能設(shè)計 為了實現(xiàn)壓力傳感器的全自動標(biāo)定，本系統(tǒng)設(shè)計了自動標(biāo)定功能，在軟件控制界面內(nèi)輸入需要測試的壓力值以及壓力循環(huán)次數(shù)。 系統(tǒng)即可實現(xiàn)連續(xù)自動的壓力控制和數(shù)據(jù)采集與處理，最終將標(biāo)定結(jié)果保存為 Ｅｘｃｅｌ 格式。 圖 ７ 為軟件程序控制界面圖，圖 ８ 為系統(tǒng)整體實物圖。 ３ 實驗驗證及分析 為了驗證系統(tǒng)壓力的控制精度，在 １００ ～ １２０ ｋＰａ的量程范圍內(nèi)平均選取 １１ 個期望壓力值，然后進行 ３次壓力循環(huán)控制，循環(huán)過程依次命名Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 。 根據(jù)ＧＥ ＤＰＳ８０００ 基準(zhǔn)壓力傳感器測得腔內(nèi)實際壓力，實驗數(shù)據(jù)如表 １ 所示，并且測試腔內(nèi)壓力由大氣壓到各個期望壓力點的壓力調(diào)節(jié)時間如圖 ９ 所示。
圖 ８ 高精度自動標(biāo)定系統(tǒng)實物圖
表 １ 系統(tǒng)壓力控制測試實驗（Pa）
圖 ９ 大氣壓到任意期望點的壓力調(diào)節(jié)時間 根據(jù)表 １ 數(shù)據(jù)進行分析可知，在 １００ ～ １２０ ｋＰａ 調(diào)壓量程內(nèi)，３ 次壓力循環(huán)測試數(shù)據(jù)顯示，腔內(nèi)測試壓力值與期望壓力值最大偏差為 １ Ｐａ，測試結(jié)果表明本系統(tǒng)壓力控制精度高，具有良好的可靠性，并且由圖 ９所示，腔內(nèi)壓力由大氣壓調(diào)節(jié)到任意壓力期望點的調(diào)節(jié)時間均不超過 ３０ ｓ。 綜上結(jié)果證明，該系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)滿足快速、高精度控制的需求。 ３.２ 自動標(biāo)定測試實驗 為了保證標(biāo)定過程的可靠性，依據(jù) ＧＢ ／ Ｔ １５４７８—２０１５［１１］ ，進行壓力傳感器性能測試實驗，具體步驟為：在測量范圍內(nèi)選取 ６ 個壓力期望點并進行 ３ 次循環(huán)檢定。 本文選用 ＢＯＳＣＨ ＢＭＰ２８０ 壓力傳感器作為待標(biāo)定壓力傳感器進行自動標(biāo)定測試實驗。 表 ２ 所示為１、２、３ 號 ＢＭＰ２８０ 壓力傳感器自動標(biāo)定測試實驗結(jié)果。 結(jié)果表明，該標(biāo)定系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)壓力傳感器全自動、高精度的標(biāo)定。
４ 結(jié)束語 通過分析腔內(nèi)氣體壓力特性，并根據(jù)其特性設(shè)計了基于粗、微調(diào)閥相配合的壓力調(diào)節(jié)模塊，實現(xiàn)了腔內(nèi)壓力的快速高精度調(diào)節(jié)，并搭建了用于壓力傳感器的高精度自動標(biāo)定系統(tǒng)。 基于上述標(biāo)定系統(tǒng)，進行了腔內(nèi)壓力控制測試實驗以及壓力傳感器的自動標(biāo)定實驗。 實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)腔內(nèi)壓力在 ３０ 內(nèi)達到壓力期望值，壓力控制精度±１ Ｐａ，并且可實現(xiàn)壓力傳感器的全程自動標(biāo)定。 證明該系統(tǒng)可高效的完成壓力傳感器的高精度自動標(biāo)定。 另外，該系統(tǒng)是一個可升級的模塊化開放系統(tǒng)，不僅可用于小量程高精度的壓力傳感器標(biāo)定，對于大量程的壓力傳感器高精度標(biāo)定也具有參考價值。 參考文獻: [1]朱傳清。動物實驗用食管下括約肌壓力測量系統(tǒng)的設(shè)計與實驗研究[D]。南京:東南大學(xué)，2018。 [2]姚家林。眼壓傳感器與微引流技術(shù)在青光眼治療中的應(yīng)用研究[D]。南昌:南昌航空大學(xué)，2016。 [3]李銀華。Kollis調(diào)音示波器方法的改進研究[D]。西安:第四軍醫(yī)大學(xué)，2007。 [4]張科，楊曉云。壓力傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計[J]。電子技術(shù)與軟件工程，2016(8):163。 [5]田輝，李保明。壓電式壓力傳感器的測量與校準(zhǔn)系統(tǒng)[J]。電子元件應(yīng)用，2008(9):3-6。 [6]林玉池，曾秋洲�，F(xiàn)代傳感器技術(shù)與系統(tǒng)[M]。北京:機械工業(yè)出版社，2009:4-29。(中文) [7]葉露林，洪雪峰。精密壓力測試儀[J]�，F(xiàn)代電子技術(shù)，2007(24):21-26。 [8]徐鴻飛。測控行業(yè)概論[M]。北京:機械工業(yè)出版社，1993:31-48。 [9]王陽。壓力傳感器測試自動壓力控制系統(tǒng)的研制[J]。測量技術(shù)，2014(1):26-30。 [10]張建軍，張建軍，張建軍，等。壓力傳感器自動標(biāo)定系統(tǒng)[J]。金融工程學(xué)報，2019,47(4):111-115。 [11] GB / t15478 - 2015。壓力傳感器性能測試方法[S]。 班寧產(chǎn)品匯總 |
