世通仪器关于高温微压力传感器校准实的研究
在航天航空领域，常常需要在恶劣环境下实时测量环境的各种相关参量，其中就包括微小压力测量。由于测试工作处于高温、高热流、强电磁干扰、剧烈振动等恶劣的条件下，并且待测压力微小，此外还要求小型化、低功耗，故而传统的硅微压力传感器已难以满足测试需求。相比之下光纤压力传感器有着无可比拟的优势:测量精度高、抗电磁干扰能力良好、绝缘性能好、性能稳定等，因此光纤压力传感器*接近测试需求。F-P光纤压力传感器更是以极高的测量灵敏度和精度、成熟的微压测量技术成为*，且只需在探头结构上辅以耐高温技术手段，使其能够适应高温环境，即能*终满足测试的要求。

    高温微压力传感器基于F-P干涉敏感原理，使用耐高温材料制作外壳和支撑架，部件连接采用固体焊接等耐高温工艺，实现了在无引压管情况下对800℃高温介质微小压力的直接测量，并且通过对弹性敏感组件等易损件采取专门的限位、加固措施，提高了抗冲击、振动能力。为了在地面实验室模拟传感器的实际安装测量环境，我们设计了一种适用于高温微压力传感器的仪器校准实验系统，通过高低温真空试验装置和人机软件的结合，为仪器校准提供了一个稳定可靠、安全便捷的实验平台。

1、传感器测量原理

(1) 微压力测量原理

    高温微压力传感器采用的是F-P干涉敏感原理，根据Fabry-Perot共振效应，F-P共振腔反射光的波长变化与两反射面之间的距离呈函数关系。如图1所示，为传感器原理示意图，感压反射面及其支撑膜片和静止反射面就构成了一个完整的F-P共振式压力敏感结构。根据薄膜弹性形变原理，压力敏感膜片在外界压力的作用下发生形变，从而改变F-P腔腔长，引起干涉谱变化，通过测量干涉光谱，即可得到作用在压力敏感膜上的压力变化，从而达到测量压力的目的。该结构的特点是灵敏度极高，可感受两个镜面之间纳米级的位移变化，可满足500 Pa微小压力的测量需要。

(2) 传感器的仪器校准原理

    在传感器探头确定的情况下，参数k1,k的值可以通过公式直接计算求得，而温度敏感系数k2以及补偿修正常数C则需要通过校准实验才能确定。

    将被校传感器与压力、温度标准具置于同一载荷环境，通过标准具得到压力、温度的标准量，通过解调模块得到传感器的输出值。将标准输人量与被校传感器的输出值绘制成传感器的校准曲线，再根据校准数据采用*小二乘法确定传感器的工作直线，用工作直线反映传感器的输人和输出之间的关系，从而确定k2及C的取值。通过校准曲线与工作直线的比较，可以计算得到被校传感器的静态基本性能指标。

    校准过程中，校准点数通常取6～11，校准循环次数通常取3～5，具体大小取决于被校传感器的精度和使用要求。

2、校准实验系统设计

    仪器校准实验系统由高低温真空试验装置和上位机人机软件组成，其中使用压力薄膜规和镍铬热电偶分别作为压力、温度参量基准，使用解调模块读出被校传感器的输出，系统结构如图2所示。

(1) 高低温真空实验装置

    高低温真空实验装置是为了模拟传感器实际测量环境而专门设计的，可以实现压力、温度的复合加载，由腔体、压力控制系统、温度控制系统和水冷循环系统等部分组成。

1) 腔体结构

    腔体是高低温试验装置的核心部分，通过隔板分为载荷室和环境室两个腔室。载荷室模拟传感器前端接触到的外界环境，如高温、近真空、微小压力，即壳体外表面环境;环境室模拟传感器后端的工作环境，也就是壳体内部的环境。腔室结构示意图如图3所示。

为了实现对载荷室温度、压力的复合加载，在载荷室的四周放置镍铬加热板加热，并带有热屏蔽板，使用两根镍铬热电偶测量载荷室环境温度，作为参考温度基准。在室温～375℃的范围内，其测量精度为±1.5℃;在375～800℃的范围内，其测量精度为0.4%。通过压力控制系统调节载荷室内环境压力，使用MKS公司626系列压力薄膜规作为参考压力基准，其压力测量范围0.2～266 Pa,测量精度0.12%。

2) 压力控制系统

    压力控制系统能够将载荷室和环境室抽至高真空状态，此外还可以调节载荷室内环境压力。它由机械泵、分子泵、限流阀、压控仪、气体流量计等部件组成。其中限流阀、压控仪用于腔室内压力的控制，气体流量计用于调节补气流量大小。

    系统控制逻辑如图4所示。压控仪接收参数设置信号，与薄膜规测量信号进行比较，根据比较结果调节限流阀开度的大小，经过不断地调节控制*终达到动态平衡，使得载荷室内气压等于设定压力值。此外，可以根据设定压力的大小调节补气阀开度大小，例如若要达到一个较大的压力值，则可以适当增大补气流量，使得载荷室内气压更快地上升到设定压力。

3) 温度控制系统

    系统采用镍铬加热板加热，通过调节加热电流的大小达到控温的目的。加热电源采用PID控制系统，可以使载荷室从室温快速加温到800℃，并且温度可调、控温。

4) 水冷循环系统

    系统配有水冷循环系统用于系统整体的冷却，其中载荷室配置TC WS制冷循环水机，控温范围为10～27℃，给腔室、分子泵等提供稳定的制冷循环水，保证设备稳定运行。

(2) 上位机人机软件

    为了方便高温微压力传感器的仪器校准试验，我们使用FameView组态软件编写了上位机人机软件。该软件主要用于实时监控载荷室和环境室的压力、温度状况，此外还具有数据存储处理功能。软件通过RS232协议与PLC进行通信，经由PLC控制高低温真空试验装置各个组件，实现了通过计算机远程控制的目的。

    图5为该软件载荷室压力监控界面，当压力设定增大时，由于需要补气故响应速度较慢，相比之下，压力设定减小时响应迅速。

我们选用的PLC为台达公司的DVP32EH，附加8路AD和DA模块，使用Delta_ WPLSoft_ V2.33软件编写PLC控制程序，程序内容包括PLC对高低温试验装置各个组件例如抽气泵、阀门、加热开关等的逻辑控制，数据的读出和写人以及其他相关功能。

3、传感器的仪器校准实验

(1) 仪器校准实验过程

    传感器的校准实验是为了测试高温微压力传感器在不同温度环境下，尤其是在高温环境下能否保持较高的测量精度和重复性，进而根据实验数据对传感器进行仪器校准，使得传感器能够在温度变化的环境下保持较高的测量精度和测量重复性。

    仪器校准实验按照校准原理可分为以下环节:①测试传感器在不同温度下的压力敏感性能;②测试传感器输出与环境温度之间的关系，并以此对传感器进行校准，对温度的影响作出补偿;③压力、温度复合加载试验，测试校准后的传感器能否满足实际的应用需求。

如果不符合要求则需要重新校准，结果仍不理想则表明传感器自身存在缺陷，需要进一步优化设计。

    由上述可知，传感器的校准需要大量的实验，受篇幅所限在此不多赘述，故这里只测试传感器在不同温度下的压力敏感性能，目的是验证该仪器校准实验系统是否达到期望的使用要求。

(2) 实验结果

    调节载荷室温度至30℃，保持温度恒定的同时逐步增大压力，记录反射光波长，反复测量3次;提高载荷室腔内温度至250℃，重复上述实验。实验数据如表1所示。

经过计算，在30℃温度环境下，传感器非线性为1.77%，重复性为1.31%，综合精度为3.07%;而在250℃高温环境下，传感器非线性为3.05%，重复性为2.07，综合精度为5.12%。以上结果表明，温度升高对实验传感器的输出有较明显的影响，整体性能也有所降低。此外，通过此次仪器校准实验，很好地验证了该校准实验系统的使用性能，在实验过程中，载荷室内温度能长时间稳定在设定值±2℃的范围内，压力调节方便可靠，能较快地达到设定气压值，并稳定在设定值10.2Pa的范围内。

    综上所述，该仪器校准实验系统使此次校准实验进行顺利，很好地满足了实际需求，达到了设计要求。(szhuorq752455st)

4、结束语

    通过分析高温光纤微压力传感器的测量结构和仪器校准原理，设计了一套基于高低温试验装置和上位机人机软件的校准实验系统，在地面实验室模拟了传感器实际测压环境，实现了传感器在高温微小压力环境下的校准。实验结果表明，该仪器校准实验系统能很好地满足测试需求，是一个稳定可靠、安全便捷的测试平台，为下一步传感器的仪器校准工作提供了保障。

关于世通：

广东省世通仪器检测服务有限公司占地，实验室面积达1200平方米。校准源齐全，拥有福禄克、惠普、安捷伦、菊水、新天等大批进口国产高端仪器，覆盖校准检测范围广。中心设有:力学、长度、衡器、电学、电磁、热工、几何量、轻工物性等*校准检测实验室。本校准与检测中心可对以上类别范围的各国仪器和相关产品进行校准和检测并出具国际认可的校准证书或检测报告。

长度计量：
长度计量校准实验室：量传历史*长、标准设备*全、检测维修能力*强的实验室，本室共建有量块、平直度、粗糙度、光学仪器、测绘仪器、通用量具、精密测量、三坐标测量机、圆度仪、验光标准器组等共55项社会公用计量标准，负责本地区的几何量的量值传递，提供检测和校准服务，开展各项目计量仪器的、校准、修理。

开展的／校准项目： 量块、平晶、干涉仪、测长仪、经纬仪、水准仪、测厚仪、坐标测长机、光学计、投影仪、影像测绘仪、工具显微镜、电动轮廓仪、气动量仪、偏摆仪、测微仪、液塑限测定仪、直角尺仪、百分表仪、千分表仪、量仪测力仪、水平仪器、水平仪零位器、测量显微镜、读数显微镜、金相显微镜、光学平直仪、水平尺、电子水平仪、合象水平仪、框式水平仪、平板、平尺、宽座角尺、刀口尺、线纹钢直角尺、角尺、卡尺、千分尺、指示表、内径表、杠杆表、数显表、钢卷尺、钢直尺、塞尺、工程检测尺、方箱、环规、螺纹量规、表面粗糙度样块、半径样板、螺纹样板、滑板式汽车侧滑检验台、轮偏检测仪、线缆计米器、线速激光测径。对有关长度、角度、粗糙度、平面度、线纹、端度、形状与相互位置的量值进行校准。