淺談靜態(tài)壓力傳感器的計(jì)量檢定

馮齊斌，姜毅韡，周宇仁

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程JJG860-2015對(duì)量程為-0.1MPa～500MPa的絕壓、表壓和差壓傳感器檢定做了明確的說(shuō)明。靜態(tài)壓力的定義不同于動(dòng)態(tài)壓力，其不隨著時(shí)間變化而緩慢的變化，由壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成，能感受壓力值并將其按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出電信號(hào)，壓力輸入至壓力敏感元件和信號(hào)處理單元產(chǎn)生輸出信號(hào)值。對(duì)壓力傳感器（靜態(tài)）的檢定技術(shù)指標(biāo)主要包括：準(zhǔn)確度、重復(fù)性、遲滯、線性度、零點(diǎn)漂移、周期穩(wěn)定性、靜壓影響和曲線符合度這些項(xiàng)的技術(shù)指標(biāo)[1]。

1 檢定前準(zhǔn)備

為保證送檢壓力傳感器的計(jì)量準(zhǔn)確，需要將送檢設(shè)備在檢定環(huán)境下放置2h以上，方可進(jìn)行檢定。對(duì)于采用液體介質(zhì)（如油）的壓力標(biāo)準(zhǔn)器，安裝時(shí)盡量排除管路中的殘留空氣。同時(shí)，應(yīng)注意應(yīng)盡量使被檢壓力傳感器的感壓面與壓力標(biāo)準(zhǔn)器的參考面在一個(gè)水平面上，以盡可能地減少高度差引起的計(jì)量誤差。具體高度差的修正方法為：檢定時(shí)，如若不能將壓力標(biāo)準(zhǔn)器和壓力傳感器放置在同一高度水平面上，高度差高于限值，則需要加上因高度差引起的壓力修正值[2]。

h——參考位置的高度差值，單位：m。

a——傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)指標(biāo)，單位：%。

PFS——被檢傳感器的輸入量程，單位：Pa。

ρ——檢定用介質(zhì)的密度值，單位：kg/m3。

g——檢定地點(diǎn)的重力加速度，單位：m/s2。

ΔP——因高度差引起的壓力修正值，單位：Pa。

檢定系統(tǒng)完好的安裝以后，上電預(yù)熱30min，對(duì)送檢靜態(tài)壓力傳感器做檢定前的預(yù)壓，正表壓傳感器預(yù)壓壓力為測(cè)量范圍上限值，負(fù)表壓傳感器預(yù)壓壓力為測(cè)量范圍下限值，差壓傳感器為額定工作壓力值、絕壓傳感器預(yù)壓壓力為測(cè)量范圍的上限和下限值[3]。

2 檢定計(jì)算

2.1 零點(diǎn)漂移

在規(guī)定的環(huán)境條件下，傳感器通電預(yù)熱和預(yù)壓操作后，記錄壓力傳感器的零點(diǎn)初始值，然后每間隔15min記錄一次送檢壓力傳感器的輸出值，從記錄開(kāi)始連續(xù)進(jìn)行的時(shí)間不低于1h，然后按照規(guī)程中的計(jì)算公式對(duì)零點(diǎn)漂移值進(jìn)行計(jì)算，判斷其值是否符合檢定要求。

|yi-y0|max是所記錄的各個(gè)零點(diǎn)輸出值與初始零點(diǎn)輸出值之差的絕對(duì)值的最大值。

yFS是滿量程輸出值。

2.2 工作曲線計(jì)算

2.2.1 校準(zhǔn)曲線

壓力傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)有m個(gè)檢定點(diǎn)，并進(jìn)行n次循環(huán)檢定。壓力檢定的正行程和反行程往返一次為一個(gè)循環(huán)，壓力傳感器至少要進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的檢定。各個(gè)檢定點(diǎn)的正反行程輸出值的算數(shù)平均值所連接的曲線分別稱為正行程校準(zhǔn)曲線和反行程校準(zhǔn)曲線[4]。

2.2.2 工作直線

JJG860-2015壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程規(guī)定：可以采用端點(diǎn)平移直線和最小二乘法直線作為壓力傳感器的工作直線。端點(diǎn)平移直線計(jì)算的連接方程公式為[5,6]：

pm——實(shí)際檢定上限點(diǎn)的壓力值。

p1——實(shí)際檢定下限點(diǎn)的壓力值。

ym——實(shí)際檢定上限點(diǎn)輸出值的平均值。

y1——實(shí)際檢定下限點(diǎn)輸出值的平均值。

p——壓力傳感器在其測(cè)量范圍內(nèi)的壓力值。

壓力傳感器工作直線采用最小二乘法直線的方程，系數(shù)a和系數(shù)b是將m個(gè)檢定點(diǎn)，n次循環(huán)檢定的數(shù)據(jù)進(jìn)行二元一次的數(shù)據(jù)擬合得到的，然后將按下述公式計(jì)算：

2.3 傳感器技術(shù)指標(biāo)計(jì)算

2.3.1 靈敏度

壓力傳感器的靈敏度為傳感器工作直線的斜率，工作直線包括端點(diǎn)平移直線和最小二乘法直線斜率值[7-9]。

2.3.2 滿量程輸出值

壓力傳感器的量程輸出值，按公式計(jì)算：

pmax為靜態(tài)壓力傳感器測(cè)量范圍上限壓力值；pmin為靜態(tài)壓力傳感器測(cè)量范圍下限壓力值。

2.3.3 重復(fù)性

壓力傳感器的正行程s正i和反行程s反i的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式如下所示，而在傳感器在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)偏差s計(jì)算出來(lái)之后，需除以上述得到的傳感器滿量程輸出值yFS并乘以3，得到的數(shù)值為其隨機(jī)誤差的極限值，作為靜態(tài)壓力傳感器的重復(fù)性ξR。

2.3.4 遲滯

在計(jì)算靜態(tài)壓力傳感器的檢定點(diǎn)中，同一個(gè)檢定點(diǎn)正行程輸出值的算術(shù)平均值與反行程輸出值的算術(shù)平均值之差，作為此檢定點(diǎn)的遲滯值，并將各個(gè)檢定點(diǎn)所計(jì)算得到的遲滯值取最大值作為靜態(tài)壓力傳感器的遲滯值[10]。

2.3.5 線性度

計(jì)算各個(gè)檢定點(diǎn)輸出值的算數(shù)平均值與所選定工作直線的差值取最大，再除以傳感器滿量程輸出值yFS作為壓力傳感器的線性度值。

3 檢定實(shí)例

對(duì)一個(gè)靜態(tài)壓力傳感器進(jìn)行計(jì)量檢定，首先對(duì)壓力傳感器進(jìn)行通用技術(shù)要求檢查，包括外觀、密封性和絕緣電阻測(cè)量，檢定前將壓力傳感器在檢定環(huán)境下放置2h以上，再進(jìn)行后續(xù)檢定操作，將送檢傳感器連接穩(wěn)壓直流電源DC24V，預(yù)熱通電30min，且施加預(yù)壓壓力60MPa，穩(wěn)定1min以后緩慢連通大氣，此預(yù)加壓過(guò)程循環(huán)操作3次。計(jì)量檢定的環(huán)境溫度一般為15℃～35℃，相對(duì)濕度為45%～75%，在被檢傳感器不施加激勵(lì)電源的情況下，使用絕緣電阻表，將靜態(tài)壓力傳感器的電源端子和輸出端子分別短接，用絕緣電阻表分別測(cè)量電源端子與傳感器的接地端子外殼、電源接線端子與輸出端子、輸出端子與接地端子外殼之間的絕緣電阻，需要注意的是：測(cè)量時(shí)應(yīng)待儀表穩(wěn)定10s之后再進(jìn)行讀數(shù)。應(yīng)用一臺(tái)量程為（1～60）MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.01的活塞壓力及作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器，對(duì)零點(diǎn)漂移測(cè)量0min、15min、30min、45min和60min的傳感器輸出值分別為5.1057mV、5.1058mV、5.1058mV、5.1057mV、5.1058mV計(jì)算的零點(diǎn)漂移測(cè)量值為0.002%。壓力傳感器的量程為（0～60）MPa，所選擇的檢定壓力點(diǎn)分別為 0MPa、6MPa、12MPa、18MPa、24MPa、30MPa、36MPa、42MPa、48MPa和60MPa，并進(jìn)行3次循環(huán)測(cè)量（正行程+負(fù)行程），以第1次循環(huán)測(cè)量為例，正行程測(cè)量 值 為 5.1057mV、15.0078mV、24.9093mV、34.8116mV、44.7135mV、54.6154mV、64.5172mV、74.4205mV、84.3222mV、104.1247mV；負(fù)行程測(cè)量值為5.1057mV、15.0079mV、24.9094mV、34.8117mV、44.7136mV、54.6155mV、64.5173mV、74.4205mV、84.3225mV、104.1250mV。第2次和第3次的循環(huán)測(cè)量值類似，擬采用端點(diǎn)平移直線作為工作直線方程，得到被檢靜態(tài)壓力傳感器的靈敏度為1.65，重復(fù)性0.02%，遲滯0.02%，線性（曲線符合度）0.02%，基本誤差0.021%，檢定結(jié)論是符合0.1級(jí)。

表1 壓力傳感器檢定記錄Table 1 Pressure sensor verification record

4 結(jié)論

本文闡述了依照J(rèn)JG860-2015《壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程》實(shí)現(xiàn)靜態(tài)壓力傳感器的檢定過(guò)程，介紹了傳感器檢定的前期準(zhǔn)備和對(duì)實(shí)測(cè)檢定數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程。檢定準(zhǔn)備過(guò)程中需要做預(yù)加壓并記錄傳感器的零點(diǎn)漂移、正反行程的校準(zhǔn)曲線和工作直線，進(jìn)而得到傳感器的靈敏度、重復(fù)性、遲滯和線性度。經(jīng)過(guò)對(duì)一個(gè)靜態(tài)壓力傳感器的實(shí)測(cè)，依照J(rèn)JG860-2015檢定規(guī)程的計(jì)算流程可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)靜態(tài)壓力傳感器的計(jì)量檢定，達(dá)到了預(yù)期的檢定效果。