压电式压力传感器的氦质谱压力真空检漏方法

文/张科辉 高成 黄姣英 王怡豪

1 引言

压力信号是航空航天、武器装备、战车战舰，汽车、工业生产、管道、电子消费类产品等军民领域广泛关注的一类重要信号。压力传感器是获取压力信号的“器官”，随着5G、物联网时代的到来，压力传感器的重要地位只会增强，不会削弱。

压电式压力传感器相比较其他类型的压力传感器具有灵敏度高、线性度好、耐高温等优点。图1为CY-YD-203型压力传感器结构示意图，此类型压力传感器为膜片式压电式压力传感器，该类型传感器主要由弹性敏感器件（膜片）、压电转化器件（石英晶体）、本体（外壳和芯体）组成。当压力P 作用在膜片上时，将在压电元件表面产生电荷，其与作用力之间呈线性关系。此种传感器结构紧凑，小巧轻便，是全密封结构。

压电式压力传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体的稳定性和准确性很大程度上受其内部的水汽含量的影响。如果传感器密封性不好，外部环境当中的水分便会进入传感器内部，给石英晶体的电性能造成很大的影响，从而导致压力传感器电性能参数不稳定。因此对压力传感器进行检漏试验对保证石英晶体的稳定性、压力传感器测量准确性具有十分重要的意义。

应用于发动机引气管道各处的压力动态测量，用于燃油系统的供油压力波动过程的测量等特殊场合为确保测量精度和良好的动态响应，需要压力传感器保持全密封结构，因此需要在使用前对压力传感器进行检漏测试，保证压力测试系统的可靠工作。

图1：压力传感器结构示意图

当前，应用于压力传感器检漏的方法主要是吸枪法，精度与压力真空法相比相对较低。本文在分析氦质谱压力真空检漏方法的基础上设计了适用于CY-YD-203型压电式压力传感器的真空室和检漏工装，经试验验证，满足检漏要求。

表1：压力传感器漏率记录表

2 吸枪法检漏

将待检器件内部充入几个大气压的氦气，之后用软管与氦质谱检漏仪相连的并且被抽成真空的特制吸枪在待检器件外部进行探索，如图2所示。

当待检器件存在漏孔时，氦气将通过漏孔溢出。当吸枪正对漏孔位置，溢出的氦气将随周围空气一起被吸枪吸入氦质谱检漏仪的质谱室中进而被氦质谱检漏仪检测到，从而达到检漏的目的。所以与吸枪相连的软管应当越短越好，与此同时，管内应当保持清洁。橡胶管的吸氦现象不仅普遍甚至还很严重，这会带来很大的本底和噪声，因此吸枪法检漏时一般不采用。

进行检漏试验的场所内的空气不应有较大流动，以此来避免漏孔附近的氦气浓度下降过快。检漏实验进行时，吸枪在待检件表面的移动速度不应过快，这受到检漏仪和软管时间常数的限制。同时，吸枪与待检件表面的距离不要超过3mm，以避免由于浓度梯度造成灵敏度损失。为提高检漏灵敏度，可在吸枪吸嘴末端加一有弹性的罩子，这样一来吸枪与待检件表面就有了较好的密封接触，使吸嘴处氦气浓度不致下降过快。

吸枪法可以找出漏孔的确切位置。由于漏孔处氦气向外扩散，导致浓度降低，并且吸枪法靠吸枪的限流作用使检漏仪与大气隔离开来维持仪器的正常工作压力，因此吸枪对氦气的抽速很小，灵敏度也较低，最小可检漏率一般比氦质谱仪最小可检漏率大三个数量级。

3 氦质谱压力真空检漏方法设计

表示漏孔大小的最直观的方法有两个，一是漏孔的几何尺寸，二是单位时间内流过漏孔的气体的质量或分子数。

由于我们研究的漏孔极其微小，实际漏孔的截面形状极不规则，漏孔路径也各式各样。因此，漏孔的大小既难以用它的几何尺寸来度量，也难以直接测量气体的质量和分子个数。

由理想气体状态方程

可知

式中：R为摩尔气体常数；

M为气体摩尔质量，也是常数。

压力真空法检漏是中小型密封产品常用、发展成熟的检漏方法之一，具有检漏灵敏度高、检漏周期短等优点，因此被广泛应用于航天、航空、仪器仪表等领域，是快速、简单、可靠的定量检漏方法之一。

压力真空法是将被检件放入一个真空室中，真空室与氦质谱仪相连。检漏时，先用辅助泵将真空室抽成低真空，关小辅助阀，打开检漏仪的检漏阀使真空室与质谱室连通，然后向被检件中充入氦气（为提高氦分压力系数，有时用泵将被检容器抽空后再充氦气），被检件如果存在泄漏，示踪物质便会从漏孔漏出，从而判定漏孔的位置和漏率大小。

工程上常用的氦质谱压力真空检漏方法原理如图3所示。主要由抽空机组、被检件、集气室、氦气源、标准漏孔、氦质谱检漏仪及相应的管道和阀门等组成。被检件的漏率可由公式（4）计算获得：

式中：

Q为被检件的测量漏率，单位为Pa•m3/s;

I0为被检件未充氦气前检漏仪给出的稳定信号，称之为检漏系统的本底信号，单位为Pa•m3/s;

图2：吸枪法检漏示意图

图3：氦质谱压力真空检漏方法原理

图4：真空室底座示意图

图5：真空室上盖示意图

ISP为标准漏孔开启后检漏仪给出的稳定信号，单位为Pa•m3/s;

QSP为标准漏孔的标称值，单位为Pa•m3/s;

γ为被检件内的氦气浓度。

在图3中，被检件与氦气源之间采用充气工装连接，属于可拆卸结构，一般采用金属密封圈或聚四氟乙烯密封圈实现连接部位的密封，这种密封圈在常压下的漏率小于10-9Pa•m3/s数量级，其泄漏量可以采用公式（5）计算获得。

图6：检漏工装连接

图7：一次检漏试验中的结果

式中：

Q0为充气工装密封结构的泄漏量，单位为Pa•m3/s;

C为密封结构的流导，单位为m3/s；

p2和p1分别为密封结构高低压侧的压力，单位为Pa。

4 真空室及检漏工装设计

利用压力真空法对压力传感器进行检漏试验，需要设计与之相配合的真空室及检漏工装。真空室及检漏工装应当满足以下要求：

（1）真空室应当能够容纳压力传感器，体积应不小于Φ100mm×100mm；

（2）真空室应当具有良好的密封性能；

（3）真空室应当有两路气路设计，能够实现与氦气瓶、氦质谱检漏仪的方便的连接；

（4）真空室应当设计有标准接口，方便待检压力传感器的放置与安装。

真空室设计为由底座和上盖两部分组成。

4.1 真空室底座

真空室的底座为一长方体和圆环凸台。圆环凸台内部能够放置进行检漏试验的CYYD-203型压力传感器，圆环凸台内径确定为90mm。长方体上设计有两路气路，一路用于与氦气瓶相连，另一路用于与氦质谱检漏仪相连。与氦气瓶相连的气孔内部制作M5的内螺纹，方便安装固定压力传感器。真空室的底座设计如图4所示。

4.2 真空室上盖

真空室上盖设计为一个圆罩，如图5所示，在圆罩外侧加工与真空室底座相配合的外螺纹，实现上盖和底座的配合。为了达到检漏真空室密封的要求，上盖下表面的平面度应达到0.05mm，同理底座上表面的平面度也应达到0.05mm。

4.3 真空室的安装与连接

在真空室内开的槽内放入密封圈，在压力传感器安装螺纹上涂抹密封脂后，将压力传感器放入与氦气瓶相连的气路旋紧，之后在压力传感器与真空室底座接触部分涂抹真空泥，达到防止氦气溢出的效果。在真空室底座圆环凸台上的沟槽内放入密封圈，将真空室上盖与真空室底座旋紧，在两者配合的边缘涂抹真空泥。最后将氦气瓶与真空室通氦气的气路，氦质谱检漏仪与真空室检漏气路用密封橡胶管连接。连接后的检漏工装如图6所示。

5 试验验证

如图7所，检漏工装安装好后，进行检漏试验验证。将压力传感器放置于真空室中旋紧，涂抹真空泥，连接好检漏工装，将氦气瓶与真空室氦气气路相连，氦质谱检漏仪与检漏气路相连，连接后用卡箍箍紧，并在气路连接边缘处涂抹真空泥。检漏试验过程中先将真空室抽真空，然后向压力传感器内部通入氦气，从检漏仪读取泄漏率。共对压力传感器进行10次检漏试验，试验数据记录在表中（表1）。检漏试验数据表明，检漏工装设计、压力真空法检漏方法适用于压力传感器的检漏要求。

6 结论

本文针对压电式压力传感器检漏现状，分析了当前检漏方法——吸枪法的不足，设计了针对压力传感器的压力真空检漏方法，并针对CY-YD-203型压力传感器设计了使用压力真空法进行检漏试验的真空室及其检漏工装。并且针对CY-YD-203型传感器进行了检漏试验验证，试验结果表明检漏工装设计、压力真空法检漏方法适用于压力传感器的检漏要求。