压阻式真空传感器校准技术研究

2014-05-24丁立莉

真空与低温 2014年2期

刘波，李平，丁立莉，刘卿，李鹏

(西安航天计量测试研究所，陕西西安 710100)

0 引言

随着真空测量技术的发展，在工业自动化的时代，PLC控制器以及程控计算机技术的日渐成熟，各种类型的真空传感器被广泛的应用于真空测量设备中。压阻式真空传感器采用高性能的压阻芯片和经过稳定化处理的电路，使得对全量程范围的线性和温度进行补偿，具有高精度、高灵敏度、抗过载、抗冲击、温度漂移小及耐腐蚀等特点，被航空、航天、化工、机械、石油、冶炼等行业大量使用，是传统真空压力表及普通压力传感器的理想换代产品。由于将真空变量转换为远距离传输的标准输出信号，充分发挥了自身技术优势及优异性能，从而更好满足了工业标准化过程中真空度参数测量和控制的需求。

随着生产企事业单位对压阻式真空传感器的大量使用，其测量校准问题也急待解决。文章以二线制输出真空传感器为例研究了日常测量方式及计量校准问题。

1 压阻式真空传感器的原理及理论函数

1.1 原理

压阻式真空传感器的测量部件是一个装有固态压力芯片，该芯片利用半导体材料的压阻效应，在特定晶面上，采用集成电路工艺技术扩散成四个等值电阻，组成一个惠斯登电桥，使得形变与桥阻变化形成一一对应关系，当压力变化时，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电信号，再由感应智能芯片进行非线性修正和温度补偿，最终输出与压力成线性对应关系的标准信号。原理图如图1所示。

图1 压阻式真空传感器原理示意图

1.2 理论函数

压阻式真空传感器是压力变送器的一种，是将需要测量的真空变量转换为可输出的标准信号，输出信号与真空变量之间有一定的函数关系，主要用于测量过程中真空参数的测量与控制［1］。典型的二线制压阻式真空传感器的测量范围0～100 kPa、工作电压为12～36 V，工作电流为4～20 mA的标准信号输出，采用V/I转换电路且零位可自由迁移。

压阻式真空传感器输出信号和真空度的函数关系式如公式(1):

式中:P'为某一真空状态下的示值，kPa；P为传感器的满量程值，kPa；I为P'真空状态下对应的输出电流值，mA。

通过公式(1)可以得出某一真空传感器在测量范围内任意真空度对应的理论电流输出值，为其准确信号输出提供参考。

在对真空传感器校准时，由于测量误差是按照测量准确度等级划分的，典型的压阻式真空传感器测量误差和准确度间的函数关系如公式(2):

式中:△A为测量误差的上下限值；P为此传感器的满量程值，kPa；δ为某一真空传感器标注的准确度等级。

准确度等级是传感器的主要技术指标，是一个定性的概念，通过公式(2)可以换算出真空传感器在某一准确度等级下的测量允许误差限，可以判断真空传感器标注的准确度等级是否正确，如表1所列。

2 实验装置

压阻式真空传感器实验装置由真空比对校准装置［2］和信号控制两部分组成。真空比对校准装置主要模拟真空测量环境，测量任意点的真空度；信号控制部分由信号输入与信号输出两部分构成，输入部分采用可调稳压稳流源，输出部分采用高精度数字多用表。

表1 常用的二线制真空传感器准确度等级与测量误差之间的关系

真空校准装置采用比较法进行校准，由抽气系统、校准系统及测量控制系统组成。抽气系统包括:机械泵组；校准系统包括:校准室、主标准器组；测量控制系统包括:气体微调阀、各种控制阀、气源等。如图2所示。

图2 真空计校准装置原理示意图

在压阻式真空传感器信号控制中，对传感器输入提供所需的直流工作电源U，将由图2采集的真空度为P'的标准信号通过式1转换为标准电流信号I，再使用高精度的数字多用表进行数据采集。如图3所示。

图3 真空传感器信号输入、输出连接示意图

3 实验结果和数据分析

3.1 实验结果

选取型号为MPM480型压阻式传感器为例，该传感器的测量范围为0～100 kPa、准确度等级满度为±0．25%、供电电压为15～30 V、输出信号为4～20 mA。如图2所示与真空校准装置相连接。同时选取型号为DH1715A－3型双路稳压稳流电源向其提供直流电压；选取型号为34401A数字多用表采集信号。线路连接方式如图4所示。