环境温度对压力传感器零点漂移影响研究①

贾攀,刘乾坤,张凤莲,王飞飞,武周军

(中南钻石有限公司,河南南阳473200)

环境温度对压力传感器零点漂移影响研究①

贾攀,刘乾坤,张凤莲,王飞飞,武周军

(中南钻石有限公司,河南南阳473200)

在金刚石的合成过程中借助工控机控制各种合成参数,而各种参数的采集是通过传感器来完成的。其中压力传感器易受温度变化影响而增加测量的误差。为了研究环境温度对压力参数的影响,我们对压力传感器进行持续的加热和冷却来测定实际压力和设定压力的差值变化趋势。通过反复的研究发现当环境温度升高时,合成的金刚石产量降低且显示压力值高于实际压力值。相反,金刚石产量提高,实际值高于显示值。

金刚石压机;环境温度;压力传感器;零点漂移;设定压力

1 绪论

在人造金刚石行业中,需要高温高压的外部环境才能促使石墨转换成金刚石,而温度和压力等各种合成参数的控制是通过工业计算机来完成的。通常情况下,压力参数的设置是比较重要的,但压力的显示是通过传感器来完成的。所以这就要求传感器精度要高且外界环境尽可能保持不变才能满足条件。压力传感器作为测试压力参数的主要仪器,在宇航、航空、石油和化工等部门的生产和科研中都发挥着重要的作用。但是,一般的压力传感器受温度变化的影响很大,特别是在低温高压环境下,压力传感器应变材料的电阻率、压阻系数、泊松比及弹性模量等因素都将会发生变化,这些变化会直接导致测试结果与实际情况产生极大的差异,因此普通的压力传感器根本无法准确测量[1]。

2 压阻式压力传感器的原理分析

工业用的压力传感器种类繁多,而我们在生产中采用的是压阻式压力传感器,其实物图和结构示意图[2]见图1、图2:

图1 压阻式压力传感器Fig.1 Piezoresistive pressure sensor

图2 压阻式压力传感器结构图Fig.2 Structure chart of piezoresistive pressure sensor

压阻式压力传感器是根据压阻效应研制而成的,所谓压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时,其电阻率发生变化的物理现象[3]。通常工业上用的扩散硅压力传感器就是利用硅片在外力作用下产生压缩或拉伸时其电阻发生变化的压阻效应原理制成的。它是用集成电路工艺在硅片上制成四个等值扩散电阻组成一个惠斯通电桥。当被测压力作用于硅片上时,一对桥臂电阻变大,另一对变小,电桥失去平衡,产生电压输出。对于半导体材料,其电阻的相对变化为d R/R=[(1+2v)+k E]ε,一般k E》(1+2v),因此d R/R≈k Eε,所以半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。由以上分析可知,对于应变式压力传感器,应变材料的电阻率ρ、压阻系数k、泊松比v及弹性模量E等因素都是影响压力传感器准确测量的直接因素,而这些因素都是关于温度的函数。影响压阻系数k的主要因素是扩散电阻的表面杂质浓度和温度。随着温度的降低,压阻系数将会增大。泊松比随温度的降低而减小,弹性模量随温度的降低而增大。理论研究指出:当温度降低时,弹性模量呈单调增加,在较高温区呈线性变化,在绝对零度时,其变化率等于零。因此,随着温度的降低,应变ε减小,以上各因素直接导致了应变式压力传感器输出的不确定性[4]。

3 实验过程与结果分析

3.1 实验过程

在合成过程中,我们对高压腔的两端分别进行压力值测量,两个压力感应器理论上相同。其中感应器1与工控计算机相连其压力显示值为我们的设定值,而另一端感应器2则连接一个压力显示器,用来测量当前环境下其实际压力值。室温下20℃左右,合成一块金刚砂不同时刻两者的压力显示如表1:

表1 常温下压力不同时刻的显示值与设定值Tab.1 Displayed values and set values of pressure under atmospheric temperature at different time

在测量之前,我们需要将两个起始值都调为零,且保证合成过程中其他条件保持不变。在合成金刚石的过程中,我们则需要记录不同时间段内显示值与设定值之间的差值。

(1)当对图3中压力传感器2进行持续加热时分别记录其显示值与工控机的设定值,如表2:在合成到1500秒时用测温仪测得感应器表面温度为35℃。

图3 传感器应用示意图Fig.3 Schematic diagram of the application of sensors

表2 加热时压力不同时刻的显示值与设定值Tab.2 Displayed values and set values of pressure at different time when heated

(2)当对压力传感器2进行持续冷却时分别记录其显示值与工控机的设定值,如表3、表4:在合成到1500秒时用测温仪测得感应器表面温度为13℃。

表3 冷却时压力不同时刻的显示值与设定值Tab.3 Displayed values and set values of pressure at different time when cooled

表4 不同时刻压力传感器零点漂移量Tab.4 Zero drift amount of pressure sensor at different time

图4 合成时间与三种不同环境温度下变化趋势的关系图Fig.4 Diagram of synthetic time and three different ambient temperature change

3.2 结果分析与解决措施

3.2.1 结果分析

从图4可以看出,压力感应器在常温环境中其零点漂移量很小,几乎可以忽略不计;当对压力传感器进行加热时,其显示值持续降低,也就是实际压力值降低,这样的结果是合成出来的金刚砂产量较正常有所下降。相反,对压力传感器进行冷却时,显示值持续升高,相当于高压腔内实际压力高于设定值,则生产出来的金刚砂产量升高。综合起来说明环境温度对压力传感器的灵敏度影响较大,使其零点产生漂移。在生产中我们尽可能地要求合成的金刚砂尽可能单产一致,所以就要求在恒定的温度下进行。

3.2.2 解决措施

将压力传感器固定在一个恒温装置中,这样可以消除环境影响因素。

4 结论

(1)在合成过程中,控制其他条件不变的情况下,环境温度明显变化对金刚砂的产量影响较大。

(2)环境温度突然升高压力传感器的零点在合成过程中产生明显漂移,使其实际压力值低于设定压力值。

(3)环境温度突然降低压力传感器的零点在合成过程中也产生明显漂移,使其实际压力值高于设定压力值。

(4)压力传感器的零点存在时间漂移电漂移和热漂移,其根本原因是因为力敏电阻的热漂移和热稳定性造成的。

[1] 程向华,厉彦忠,谭宏博.影响压力传感器温度特性的因素分析[J].低温电子技术,1999(51).

[2] 孙淑凤,陈流芳,等.低温测量中压力传感器的改进与标定[J].深冷技术,1999(5).

[3] 郑正泉,张代光,等.应变式压力传感器的低温特性研究[J].低温工程,1990(4).

[4] 朱蕴璞,孔德仁,王芳.传感器原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

Study of the Influence of Ambient Temperature on Zero Drift of Pressure Sensor

Jia Pan,Liu Qian-kun,Zhang Feng-lian,Wang Fei-fei,Wu Zhou-jun
(Zhongnan diamond co.,LTD,Nanyang,He Nan 473200)

During the process of diamond synthesis,various parameters are controlled by Industrial Personal Computer(IPC)while the collection of various parameters is done by sensor.The pressure sensor is subject to the temperature change which will increase the risk of measurement errors.In order to study the influence of ambient temperature on the pressure parameter,we measure the difference changes of the actual pressure and the set pressure by heating and cooling the pressure sensor continuously.Repeated research shows that when ambient temperature goes up,the productivity of synthetic diamond decreases and the displayed pressure value is higher than the actual pressure value.For the other way round,the productivity of synthetic diamond increases and the actual pressure value is higher than the pressure value displayed.

ambient temperature;pressure sensor;zero drift;set pressure

TQ164

A

1673-1433(2014)05-0005-04

2014-12-23

贾攀,男,高级工程师。长期从事金刚石生长过程的研究。河南南阳,中南钻石有限公司。

王飞飞(1988-),男,助理工程师。Email:080302116@163.com