焦鑫鑫 王小三 咸寶金 劉 鑫 王慧龍 朱 剛

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》淺析

焦鑫鑫 王小三 咸寶金 劉 鑫 王慧龍 朱 剛

(北京航天計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100076)

介紹了JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》的主要變化，就檢定設(shè)備的選擇、特殊壓力傳感器的檢定方法等對(duì)規(guī)程進(jìn)行淺析，結(jié)合測試實(shí)例論述了新增傳感器零點(diǎn)漂移和周期穩(wěn)定性兩個(gè)性能指標(biāo)的必要性，并對(duì)規(guī)程的進(jìn)一步完善提出了建議。

壓力傳感器 零點(diǎn)漂移 周期穩(wěn)定性

1 引 言

近年來，隨著我國科研水平的不斷進(jìn)步，壓力計(jì)量測試技術(shù)的發(fā)展日新月異，壓力傳感器產(chǎn)品日趨小型化、集成化、智能化、系統(tǒng)化和標(biāo)準(zhǔn)化，在敏感元件材料、測壓原理以及應(yīng)用環(huán)境等方面出現(xiàn)了諸多變化，JJG 860-1994《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》已無法滿足壓力傳感器計(jì)量需求，尤其對(duì)在高低溫、振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境下使用的壓力傳感器和特殊原理壓力傳感器的檢定缺乏指導(dǎo)性。針對(duì)這種情況，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2015年發(fā)布了JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》以替代JJG 860-94。新規(guī)程在特殊壓力傳感器的檢定等方面做出了改進(jìn)和完善。本文將從分析新舊規(guī)程的變化入手，結(jié)合筆者在計(jì)量工作中的實(shí)踐，分析JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》的改進(jìn)的必要和優(yōu)越之處，并對(duì)該規(guī)程的進(jìn)一步完善提出相應(yīng)的建議，以期對(duì)計(jì)量人員和傳感器使用人員有所幫助。

2 新舊規(guī)程的變化

JJG 860-2015《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》在舊版規(guī)程JJG 860-1994的基礎(chǔ)上，采用了GB/T 15478-1995《壓力傳感器性能試驗(yàn)方法》、GB/T 18459-2001《傳感器主要靜態(tài)性能指標(biāo)計(jì)算方法》、GB/T 18806-2002《電阻應(yīng)變式壓力傳感器總規(guī)范》、GB/T 20522-2006《半導(dǎo)體器件第14-3部分：半導(dǎo)體傳感器——壓力傳感器》的部分內(nèi)容，在保留JJG 860-1994行之有效內(nèi)容的基礎(chǔ)上修訂完成。相比舊版規(guī)程，新規(guī)程在壓力傳感器檢定設(shè)備的選擇、檢定項(xiàng)目的數(shù)量以及檢定方法的規(guī)定等方面都發(fā)生了一些變化，下面詳細(xì)說明新舊規(guī)程的變化內(nèi)容。

2.1 檢定設(shè)備的選擇

如表1所示，[1,2]新規(guī)程對(duì)檢定設(shè)備的選用方法中，最大的變化是對(duì)整套檢定設(shè)備檢定時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度作出了具體規(guī)定，使檢定設(shè)備的選擇更加科學(xué)合理。

表1 新舊規(guī)程對(duì)主要檢定設(shè)備規(guī)定的比較

2.2 特殊壓力傳感器的檢定

2.2.1 非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器的檢定

相較舊規(guī)程，JJG860-2015增加了對(duì)于非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器的檢定方法的規(guī)定。在對(duì)此類傳感器進(jìn)行檢定時(shí)，除了對(duì)其基本誤差有所要求之外，還增加了對(duì)曲線符合度的檢定：

“符合度，即正反行程實(shí)際平均曲線相對(duì)于參比曲線的最大偏差，用滿量程輸出的百分比來表示”。“曲線符合度只適用于非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器，曲線符合度不得大于基本誤差限絕對(duì)值”。

2.2.2 定溫度點(diǎn)使用的壓力傳感器的檢定

相較舊規(guī)程，JJG860-2015還考慮到了非常溫條件下使用的壓力傳感器的檢定難題，增加了對(duì)該類傳感器檢定方法的規(guī)定，即：“按額定工作溫度或?qū)嶋H工作溫度的要求，將傳感器(包括盡可能多的電纜線)置于符合要求的高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，將傳感器在確定的溫度點(diǎn)定溫，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后充分穩(wěn)定至少2h，按本規(guī)程7.3.1～7.3.9的方法進(jìn)行檢定。其在特定溫度點(diǎn)的基本誤差應(yīng)不大于基本誤差限”。

2.2.3 傳感器計(jì)量性能要求的補(bǔ)充

JJG860-2015在舊版規(guī)程的基礎(chǔ)上，增加了對(duì)傳感器零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性等計(jì)量性能的要求，并規(guī)定了相應(yīng)的檢定方法。

2.2.3.1 零點(diǎn)漂移

對(duì)于零點(diǎn)漂移，JJG 860-2015規(guī)定：“壓力傳感器的零點(diǎn)漂移不得大于基本誤差絕對(duì)值的1/2，絕壓傳感器對(duì)此不作要求”。

2.2.3.2 周期穩(wěn)定性

對(duì)于周期穩(wěn)定性，JJG 860-2015規(guī)定：“本次檢定的靈敏度與上一周期的靈敏度差值的絕對(duì)值，與本次檢定的靈敏度的比值為靈敏度周期穩(wěn)定性，通常以百分?jǐn)?shù)表示，該值不得大于基本誤差限絕對(duì)值”。

傳感器零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性等指標(biāo)的具體檢定方法詳見規(guī)程，這里不再贅述。

3 對(duì)新版規(guī)程的淺析

3.1 檢定設(shè)備選擇方法的淺析

由表1可以看出，舊規(guī)程在壓力標(biāo)準(zhǔn)器的選擇上，突出了準(zhǔn)確度等級(jí)較低設(shè)備檢定時(shí)必須采用準(zhǔn)確度等級(jí)較高設(shè)備這一基本原則，并在此基礎(chǔ)上規(guī)定了激勵(lì)電源、讀數(shù)記錄裝置等配套檢定設(shè)備的性能指標(biāo)范圍。

JJG860-2015在檢定設(shè)備的選擇上引入了不確定度的概念，將壓力標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備看做一個(gè)整體，對(duì)整套檢定設(shè)備在檢定壓力傳感器時(shí)引入的擴(kuò)展不確定度加以限制。在這個(gè)前提下，壓力標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)自由選用。

通過對(duì)比，JJG 860-2015通過引入不確定度概念，既可以綜合評(píng)估整套檢定設(shè)備計(jì)量性能對(duì)傳感器檢定結(jié)果所帶來的影響，同時(shí)也給予了計(jì)量人員以充足的自由，使其得以根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件合理選用壓力標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備。綜合來看，新版規(guī)程對(duì)檢定設(shè)備選擇的規(guī)定更為科學(xué)合理，同時(shí)也具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

3.2 特殊壓力傳感器檢定方法的淺析

3.2.1 非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器檢定方法淺析

JJG860-2015頒布之前，舊規(guī)程中僅僅規(guī)定了定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器基本誤差的計(jì)算方法，而非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器的檢定長期處于無法可依的狀態(tài)。新規(guī)程對(duì)本類傳感器檢定方法的規(guī)定，使其有了明確的檢定方法，同時(shí)也使得規(guī)程內(nèi)容更加嚴(yán)謹(jǐn)，是對(duì)舊規(guī)程在計(jì)量實(shí)踐指導(dǎo)性方面的一個(gè)必要完善。

3.2.2 定溫度點(diǎn)使用的壓力傳感器的檢定方法淺析

相比舊版規(guī)程，JJG 860-2015考慮到了在高低溫及振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境條件下工作的壓力傳感器的實(shí)際計(jì)量需求，明確規(guī)定了如今常用的定溫度點(diǎn)使用的壓力傳感器的檢定方法，這是對(duì)舊規(guī)程的有益改進(jìn)。

然而，筆者認(rèn)為，這種檢定方法也存在有待完善之處。第一，對(duì)壓力傳感器進(jìn)行計(jì)量的意義在于判定傳感器的實(shí)際使用性能，使得傳感器的實(shí)際工作數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可信，因此，傳感器的檢定條件應(yīng)盡可能地與其實(shí)際工況一致。規(guī)程規(guī)定將傳感器置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，待試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到既定溫度時(shí)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行檢定，這種檢定方法僅僅是對(duì)傳感器外部工作環(huán)境的模擬，試驗(yàn)箱內(nèi)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度后充分穩(wěn)定至少2h的做法并不能真正控制測壓介質(zhì)的溫度，無法真實(shí)模擬傳感器的工作狀態(tài)，無法保證傳感器測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。第二，由于壓力傳感器與壓力標(biāo)準(zhǔn)器通常處于介質(zhì)連通狀態(tài)，那么高低溫是否將會(huì)影響壓力標(biāo)準(zhǔn)器的實(shí)際工作性能，這種影響是否將會(huì)直接影響到傳感器的檢定結(jié)果都不得而知。若高低溫對(duì)傳感器檢定結(jié)果有直接影響，那么在選擇壓力標(biāo)準(zhǔn)器時(shí)應(yīng)有哪些注意事項(xiàng)，壓力標(biāo)準(zhǔn)器性能隨溫度變化的合理區(qū)間是多少，規(guī)程理應(yīng)加以明確。

3.3 傳感器零點(diǎn)漂移和周期穩(wěn)定性計(jì)量性能增加的必要性

JJG860-2015除了對(duì)傳感器的重復(fù)性、遲滯、線性等作出規(guī)定之外，還對(duì)增加了對(duì)傳感器零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性等計(jì)量性能的要求，并規(guī)定了相應(yīng)的檢定方法。筆者認(rèn)為，零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性同屬時(shí)移特性指標(biāo)，反映了壓力傳感器零點(diǎn)及幅值靈敏度隨時(shí)間的變化情況，是壓力傳感器設(shè)計(jì)人員、使用人員和計(jì)量人員所必須考慮的性能指標(biāo)，其對(duì)于傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)判定至關(guān)重要，理應(yīng)包含在檢定項(xiàng)目之內(nèi)。對(duì)傳感器零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性等計(jì)量性能要求的擴(kuò)展將使得新版檢定規(guī)程更加完善科學(xué)，具有更強(qiáng)的實(shí)踐指導(dǎo)性。下面以某壓力傳感器的測試實(shí)例對(duì)傳感器零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性這兩個(gè)性能指標(biāo)的重要性進(jìn)行闡釋。

對(duì)新出廠，標(biāo)稱準(zhǔn)確度等級(jí)0.5級(jí)，量程1MPa的某壓力傳感器進(jìn)行連續(xù)三次示值檢定，測試數(shù)據(jù)見表2～表4。

表2 某壓力傳感器第一次測試數(shù)據(jù)

依照舊規(guī)程，壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)判定指標(biāo)主要有重復(fù)性誤差、回程誤差、線性誤差和基本誤差四個(gè)。若被測傳感器的以上四個(gè)指標(biāo)數(shù)值均不大于傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的允許基本誤差的絕對(duì)值，則判定此壓力傳感器符合本準(zhǔn)確度等級(jí)。四項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表5。

表3 某壓力傳感器第二次測試數(shù)據(jù)

表4 某壓力傳感器第三次測試數(shù)據(jù)

表5 某壓力傳感器測試數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果

由表5可以看出：

(1)三次測試中傳感器工作直線方程中的截距(表征零點(diǎn)輸出數(shù)值)發(fā)生了較大變化，其最大變化量甚至達(dá)到了傳感器滿量程輸出的1%左右；

(2)傳感器的靈敏度最大產(chǎn)生了約4%的漂移；

(3)按照J(rèn)JG860-94對(duì)本傳感器三次測試結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確度評(píng)定分別得到了符合0.5級(jí)和符合1級(jí)兩個(gè)結(jié)論。

顯然，在沒有進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的前提下，短時(shí)間內(nèi)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行測試，卻得到了截然不同的測試數(shù)據(jù)，這本身就說明了傳感器自身時(shí)移特性可能存在較大問題，實(shí)際使用時(shí)將嚴(yán)重影響測壓數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性。這種類型的傳感器必須進(jìn)行準(zhǔn)確度等級(jí)重新判定并縮短檢定周期，才能再次投入正常使用。

JJG860-2015將零點(diǎn)漂移和周期穩(wěn)定性等時(shí)移特性納入傳感器檢定項(xiàng)目，同時(shí)將其作為傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)的判定依據(jù)，將在某種程度上避免上述情況的發(fā)生。通過對(duì)傳感器零點(diǎn)漂移的檢定，記錄傳感器的零點(diǎn)輸出隨時(shí)間的變化情況，若依然出現(xiàn)類似以上測試數(shù)據(jù)，則可依據(jù)新規(guī)程對(duì)零點(diǎn)漂移的規(guī)定“壓力傳感器的零點(diǎn)漂移不得大于基本誤差限絕對(duì)值的1/2”，可判定此傳感器不符合1.0級(jí)。傳感器使用一段時(shí)間后，通過對(duì)周期穩(wěn)定性的檢定，此傳感器極可能被判定為周期穩(wěn)定性不合格，必須縮短檢定周期，以最大限度地保證用戶的利益。因此，計(jì)量人員在對(duì)壓力傳感器進(jìn)行檢定的時(shí)候，應(yīng)對(duì)零點(diǎn)漂移和周期穩(wěn)定性這兩項(xiàng)傳感器時(shí)移特性指標(biāo)數(shù)據(jù)的檢定引起足夠重視。

4 新規(guī)程使用注意事項(xiàng)及改進(jìn)建議

4.1 新規(guī)程使用注意事項(xiàng)

(1)在選擇相應(yīng)設(shè)備對(duì)壓力傳感器開展檢定工作之前，計(jì)量人員需嚴(yán)格按照規(guī)程要求，對(duì)整套檢定設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果符合要求方可投入使用；

(2)對(duì)于非定點(diǎn)使用的非線性壓力傳感器，計(jì)量人員除了要通過輸出值檢定計(jì)算傳感器的基本誤差之外，還要計(jì)算傳感器的曲線符合度，曲線符合度不得大于基本誤差限絕對(duì)值；

(3)計(jì)量人員在檢定過程中應(yīng)重視對(duì)壓力傳感器零點(diǎn)漂移和周期穩(wěn)定性等計(jì)量特性的檢定，關(guān)注傳感器的時(shí)移特性；

(4)計(jì)量人員應(yīng)嚴(yán)格遵從規(guī)程規(guī)定，檢定前的預(yù)壓進(jìn)行3次即可，切不可為得到良好測試結(jié)果而人為增加預(yù)壓次數(shù)；

(5)要特別注意傳感器性能指標(biāo)表述的變化，如JJG 860-2015中將舊規(guī)程中的“回程誤差”表述改變?yōu)椤斑t滯”等。

4.2 對(duì)新規(guī)程的改進(jìn)建議

(1)對(duì)定溫度點(diǎn)使用的壓力傳感器進(jìn)行檢定時(shí)，規(guī)程應(yīng)將高低溫對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)器性能可能帶來的影響考慮在內(nèi)，對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)器在高低溫條件下的性能變化區(qū)間加以限定；同時(shí)要尋求更加合理有效的檢定方法模擬傳感器的實(shí)際工作狀態(tài)，以期使測試數(shù)據(jù)能夠更加真實(shí)可靠地反映傳感器實(shí)際工作性能；

(2)對(duì)絕壓傳感器，建議增加零點(diǎn)漂移檢定項(xiàng)目。對(duì)于壓阻式絕壓傳感器而言，其測壓原理決定了同樣存在零點(diǎn)漂移，且影響到傳感器校準(zhǔn)曲線的獲得。與壓阻式表壓傳感器不同的是，由于計(jì)量設(shè)備的限制，壓阻式絕壓傳感器在壓力絕對(duì)零點(diǎn)處的示值輸出很難測得，因此通常記錄傳感器在某個(gè)特定壓力值處的示值輸出變化情況并以此來考察零點(diǎn)漂移狀況。絕壓傳感器的零點(diǎn)漂移指標(biāo)的獲得具體可參照GJB 4409A-2011 《壓力傳感器通用規(guī)范》相關(guān)規(guī)定。

(3)建議對(duì)7.3.10.3條款進(jìn)行修訂。對(duì)壓電式壓力傳感器，由測壓原理決定，壓電式壓力傳感器本身在零點(diǎn)時(shí)并無輸出，無法進(jìn)行零點(diǎn)漂移檢定。

5 結(jié)束語

JJG 624-2005《壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程》較舊規(guī)程在檢定設(shè)備的選擇等方面都做出了改進(jìn)，相關(guān)規(guī)定更為科學(xué)合理，具有更強(qiáng)的計(jì)量實(shí)踐指導(dǎo)性。通過對(duì)新舊規(guī)程的變化進(jìn)行探討，明確了計(jì)量人員在使用規(guī)程時(shí)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)，對(duì)規(guī)程的改進(jìn)提出了建議，供壓力計(jì)量技術(shù)人員參考。

[1] 國家技術(shù)監(jiān)督局. JJG 860-1994 壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，1994.

[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG 860-2015 壓力傳感器(靜態(tài))檢定規(guī)程[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2015.

Discussion on JJG 860-2015 Verification Regulation ofPressure Transducer (Static)

JIAO Xin-xin WANG Xiao-san XIAN Bao-jin LIU Xin WANG Hui-long ZHU Gang

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076, China)

Main variations of a new Pressure Transducer (Static) Verification Regulation JJG 860-2015 are introduced. Discussions are carried out on the selection of the test instruments and the verification methods for specific pressure transducers. The necessity of adding two new performance indicators, the zero shift and the cycle stability, is demonstrated according to some test cases. Furthermore, some improvement suggestions for this regulation are proposed.

Pressure transducer Zero shift Cycle stability

2016-07-29，

2016-11-01

焦鑫鑫(1986-)，男，工程師，主要研究方向：動(dòng)靜態(tài)壓力計(jì)量測試技術(shù)研究。

1000-7202(2017) 02-0049-05

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.10

TB935

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