設(shè)計(jì)一種可應(yīng)用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的壓力檢測(cè)傳感器，以滿足極端環(huán)境科學(xué)研究的需求。利用可耐高溫高壓、抗腐蝕、具有高屈服強(qiáng)度的金屬作為傳感器材料,采用組合式結(jié)構(gòu)和特殊的圓膜片貼片與組橋技術(shù),開(kāi)發(fā)了適合于極端環(huán)境工作的欽壓力傳感器,并應(yīng)用多維線性插值算法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定,以提高檢測(cè)精度實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明,欽壓力傳感器在60MPa、400C環(huán)境下的酸性或堿性溶液中都能正常工作,檢測(cè)精可以達(dá)到0.%FS以內(nèi)滿足極端環(huán)境高精度壓力檢測(cè)需求。

      現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科具有重大的意義，并引起了科學(xué)家們濃厚的興趣,相關(guān)的研究產(chǎn)生了許多新的發(fā)現(xiàn)并對(duì)傳統(tǒng)的理論進(jìn)行了挑戰(zhàn)[24對(duì)熱液系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與試驗(yàn)?zāi)�擬研究，是進(jìn)行生物成礦作用、生命起源等科學(xué)問(wèn)題研究必須采用的方法然而由于其處于深海極端環(huán)境的特殊性，對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了極高的要求熱液系統(tǒng)的極端環(huán)境的特殊性主要表現(xiàn)為[1.56]一是高溫高壓，熱液噴溢口溫度達(dá)到400C以上，深度可能在6 000 m以上二是熱液腐蝕性強(qiáng);三是熱液周圍生長(zhǎng)有微生物，這些因素都對(duì)檢測(cè)帶來(lái)極大地困難生物資源的分布與垂直深度密切相關(guān)[7-0]深度精確測(cè)是進(jìn)行生命科學(xué)地球化學(xué)等研究及模擬試驗(yàn)前提條件，是進(jìn)行科學(xué)探索的重要保障技術(shù)之一。

      我國(guó)研制的自容式高精度CTD劑面儀，其最大工作深度3000m不能滿足極端環(huán)境的特殊要求目前市場(chǎng)上使用的硅壓力傳感器主要是擴(kuò)散硅壓力傳感器，當(dāng)工作溫度超過(guò)120C，應(yīng)變電阻與村底間漏電加劇，使傳感器特性嚴(yán)重惡化以至失效利用新工藝、新材料研制的多晶硅壓力傳感器、單晶硅壓力傳感器、藍(lán)寶石上硅壓力傳感器等最大檢測(cè)壓力不能達(dá)到60MPa而且硅材料傳感器在堿性境下極易腐蝕，不適合在極端環(huán)境下檢測(cè)普通金屬材料或合金傳感器在熱液系統(tǒng)中可能溶解成單體對(duì)微生物有毒害作用不適宜應(yīng)用于極端環(huán)境10-13]。

      本文介紹了一種可在高溫高壓環(huán)境下，酸堿腐蝕的高精度壓力傳感器其采用組合式結(jié)構(gòu)，以工業(yè)純鐵作為傳感器加工材料，鐵金屬物理化學(xué)性能穩(wěn)定，可耐高溫，耐腐蝕，屈服強(qiáng)度高，可耐高壓，并且不具有生物毒性;傳感器采用多維標(biāo)定方法，補(bǔ)償溫度變化引起的漂移誤差，提高了檢測(cè)精度。

1、傳感器設(shè)計(jì)

1.1材料選擇

      熱液系統(tǒng)極端環(huán)境的特殊性對(duì)傳感器材料強(qiáng)度提出極高的要求，所以，傳感器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的首要難點(diǎn)就是材料的選擇,該材料必須滿足以下幾個(gè)條件:能耐高溫高壓;@能耐腐3具備較高的檢測(cè)精度;@檢測(cè)不污境不具有生性。

      綜合各方面性能本文選用的金屬材料TC4作為傳感器的加工材料，因其具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)1高溫下物理化學(xué)性能穩(wěn)定可耐高溫，并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)其具有很高的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，可耐高壓;@化學(xué)性能十分穩(wěn)定，可耐酸堿腐蝕:具有較好的彈性模量，滿足高精度檢測(cè)要求;具有生物惰性，無(wú)生物毒性,對(duì)檢測(cè)環(huán)境無(wú)污染;所以,該材料完全能滿足極端環(huán)境惡劣環(huán)境的苛刻要求，是極端環(huán)境下壓力檢測(cè)傳感器材料的最佳選擇。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      傳感器采用組合式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)前端連接件采用內(nèi)螺紋與被測(cè)流體管道對(duì)接,保證在高壓下連接安全可靠;密封圈防止卡口連接處高壓液體溢出;壓力傳感器的彈性元件為周邊固定的圓形膜片，貼在欽金屬底座后，避免與熱液直接接觸;通過(guò)法蘭結(jié)構(gòu)將導(dǎo)線插頭座固定，避免導(dǎo)線受力脫落而導(dǎo)致傳感器故障。

圖1 傳感器組合式結(jié)構(gòu)

1.3 圓膜片受力分析

      圓形平膜片在周邊固支條件下,受到均勻的壓強(qiáng)作用時(shí)，若撓度遠(yuǎn)小于膜片厚度，可認(rèn)為滿足小撓度理論，由彈性薄板小撓度理論可以得出5]。

      圓形平膜片受均布的壓強(qiáng),設(shè)膜片半徑為a,厚度為t離圓心0為任一點(diǎn)A 單元體上兩個(gè)相直的應(yīng)力分別為半徑方向應(yīng)力  和半方直的切向應(yīng)力o應(yīng)分布圖如圖2 最大壓強(qiáng)9可達(dá) 60 MPa，傳感器圓膜片半徑a=7mm,厚度t=2mm,計(jì)算可得owx=358MPa，oro=-551MPa,實(shí)驗(yàn)檢測(cè)鐵金屬材料可知，泊松比v=03,拉伸彈性極限 R =710MPa,屈服強(qiáng)度Rpo-920 MPa，滿足極端環(huán)境檢測(cè)需求,

圖2 圓膜片受力圖

1.4 圓膜片應(yīng)變與組橋技術(shù)

根據(jù)應(yīng)變分布計(jì)算公式15]：

圖3 圓膜式應(yīng)變片貼片與組橋技術(shù)

2、傳感器標(biāo)定

      游離態(tài)、分解態(tài)氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度隨著海水深度星指數(shù)關(guān)系分布;在斜溫層，海水溫度與深度之間也近似于指數(shù)關(guān)系;所以，壓力的精度高低對(duì)其它海洋科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生重要影響本文開(kāi)發(fā)的極端環(huán)境壓力傳感器工作環(huán)境溫度變化范圍大，而鐵金屬材料與圓膜式應(yīng)變片在高溫下性能會(huì)產(chǎn)生細(xì)微變化，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差，為解決溫度變化而引人的誤差，本文采用多維分段線性插值算法以提高精度[16]。

      在設(shè)定的不同溫度熱液下，本文首先通過(guò)標(biāo)定特定標(biāo)準(zhǔn)壓力得到原始的輸出電壓，將得到原始輸出電壓點(diǎn)陣圖，如圖4所示。

圖 4 特定溫度下檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)壓力得到的電壓輸出原始數(shù)據(jù)點(diǎn)陣圖

      原始點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)壓力外測(cè)量得到的輸出電壓無(wú)法進(jìn)行標(biāo)定，本文用分段線性插值算法，可以得到同一溫度條件下，不同輸出電壓與檢測(cè)壓力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖 5 所示，

      一次線性插值后得到的輸出電壓與檢測(cè)壓力之間線性關(guān)系圖可以看出，此時(shí)輸出電壓與檢測(cè)力之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系仍然是不完整的，只有有限的幾條已知溫度曲線上測(cè)量的電壓值可以計(jì)算得到檢測(cè)壓力值.所以，需要再次進(jìn)行分段線性插值，可以得到溫度、測(cè)電壓與檢測(cè)壓力之間的立體關(guān)系圖(如圖6所示)立體關(guān)系圖建立后，只要得到溫度與輸出電壓值，就可以依據(jù)圖得到測(cè)量的目標(biāo)壓力值。

圖5 一維線性插值得到輸出電壓與檢測(cè)壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

3、檢測(cè)精度

      經(jīng)廣東省計(jì)量科學(xué)研究院國(guó)家二等計(jì)量測(cè)試中心檢測(cè)表明*，在環(huán)境溫度25C時(shí)，測(cè)量得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差都在士02%FS以內(nèi)如表1所示)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，在其他不同溫度條件下，測(cè)量得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差均小于土0.2%FS。

表 1  標(biāo)準(zhǔn)壓力值與測(cè)量壓力值對(duì)照表

測(cè)試指是記出編號(hào);RZD20044455

4、小結(jié)與展望

      本文介紹了一種適用于極端環(huán)境的壓力傳感器,該傳感器以鐵金屬為原材料,可耐高溫高壓，在400C熱液環(huán)境下，可檢測(cè)高達(dá)60 MPa的壓力，并且在抗酸堿腐蝕性能強(qiáng)，無(wú)生物毒性，經(jīng)久耐用,對(duì)檢測(cè)環(huán)境無(wú)污染采用多維線性插值算法提高了傳感器的檢測(cè)精度，可達(dá)到滿量程的士0.2%.該傳感器的開(kāi)發(fā)成功，為極端環(huán)境的生物成礦生命起源等重大科學(xué)研究提供了技術(shù)支持,但其檢測(cè)技術(shù)還存在缺陷，即必須與溫度檢測(cè)儀器聯(lián)合測(cè)試標(biāo)定才能保證精度實(shí)現(xiàn)壓力獨(dú)立檢測(cè)的高精度壓力傳感器是今后的研究與發(fā)展方向。

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班寧產(chǎn)品匯總