CN2382014Y - 密闭容器微压传感器测量标定仪 - Google Patents

Abstract

一种微压传感器测量标定装置,由两个连通的均横截面容器、带有标尺和刻度转盘的精密丝杆以及支架构成。容器中注有液体,并使其有恰当的液位。其中一个容器开口,由精密丝杆控制其上下移动;另一容器密闭、固定,与被测传感器连接。根据精度要求,选择合适容器横截面、容器上方的空间体积、丝杆精度。测量标定时,只要逐次转动转盘,使开口容器移动到与测试压强相应的高度,记录传感器的响应输出即可。使用本装置操作方便、速度快,精度高、可取代同类的测量标定仪器。

Description

密闭容器微压传感器测量标定仪

本实用新型涉及一种微压压力传感器的测量标定装置。

随着微机械压力传感器技术的发展，压力传感器的灵敏度不断提高。因此，压力的测量也不断的向着微小量程的方向发展。目前，高灵敏度压力传感器的量程已达到1kPa以下。随之出现的问题是如何对微压压力传感器实现快速而准确的标定的问题。

对微压传感器的最简单的测试标定工具是充水的U形管。但由于水的表面张力引起的弯月面使读数难以十分准确。一般讲，对于量程在1kPa以下的压力传感器，测量精度只能达到百分之一到千分之五之间。另外，该方法需要一个能精确控制的稳定气压源。对于微小的压力来讲，这也是有一定困难的。

对这一基本方法有许多改进形式，典型的有斜管式微压计和补偿式微压计等。斜管式微压计通过将水管倾斜来加大水柱的长度以达到提高精度的目的。但倾斜的管子也增加了读数的困难。因此斜管式微压计对精度的改进并不大。补偿式微压计通过改进水准观测方法和微调丝杆来提高测量精度。但这种方法的测量仍然依赖于对液面水准的观测，精度难以提的很高。测量速度慢而观测者容易疲劳。实际的补偿式微压计，测量精度为0.8Pa，最高可以达到0.4Pa。也就是说，对于1kPa量程的压力传感器来讲，测量精度要求为±0.1％时，勉强可以使用。对于量程更小的压力传感器或更高的精度要求就难以应付了。例如微压压力传感器的量程为500Pa，要求测量的精度为千分之一时，要求测量仪器的精度必须优于万分之二，即仪器的绝对测量精度为0.1Pa，这是补偿式微压计难以达到的。

另一类原理完全不同的压力测量方法是浮球式压力计。该方法利用气流的拖动力将一个置于圆形管道口的球体托起，在球体上加载砝码，管道内的压强就由砝码的重量除以管道的有效截面决定。该方法的原理与活塞式压力计是相同的，可以用于产生较高精度的压强并且便于定点的测试。但是该方法存在一个由浮球的重量决定的死区，死区的下限约为100Pa。在死区以上的压强范围内测试点的压强则由砝码的重量及其组合决定而不能随意选择，这构成了对实际测量的限制。另外，该方法在测试时(特别是在采用砝码组合时)需要频繁的装、卸砝码并每次都要把气体的流量调节到规定值，操作相当繁杂，测试速度慢。

本实用新型的目的在于提供一种操作方便、测试快速、精度很高的微压压力传感器的测量标定装置。

本实用新型设计的密闭容器微压传感器测量标定装置由两个连通的容器、带有标尺和刻度转盘的精密丝杆和仪器支架构成，两个容器都有均匀的横截面，其下方由软管连接相通，容器中充有适当高度的液体(水)。两个容器中的一个为密闭容器，固定于仪器支架一侧的一个支柱上；另一个为中间有圆孔的开口容器，固定于滑动台架上，精密丝杆穿过开口容器中间的圆孔，控制滑动台架及开口容器的上下移动；刻度转盘设置于仪器支架的另一个支柱上，与精密丝杆的上端连接；密闭容器的上方装有一个三通阀，以便于与被测传感器连接和测量时使容器密闭。为便于观察密闭容器中的液位高度，该容器的一个侧面设有一个液位观察窗。其结构如图1所示。图2给出了测量原理图。

使用时，先转动丝杆10上方的转盘7，将开***动容器1的位置调节到零位，将三通阀门5转到三路全通的位置，接上被测传感器6。通过密闭容器上的观察窗3观察密闭容器中的液位高度，该高度可以通过向开口容器中注水或抽水加以控制。在调节好液面后将三通阀门5转到仅连接密闭容器和传感器的位置(如图中所示的位置)标定工作即可开始。标定时只要通过转动转盘7，逐次把开口容器移动(提升或下降)到一个与某测试压力相应的高度并记录传感器的响应输出。这种方法的操作速度很快，一般每分钟可以读取五、六个数据。标定一个传感器(5-7个测试点，五次上行和下行测试，即总共约50个测试)所需的时间约为15分钟。作为对比，如用补偿法标定一个传感器，半天时间，往往也只能进行两到三个上、下行测量循环。

本实用新型设计的装置，其尺寸参数在考虑实际使用的许可和确保精度的前提下，要求容器1和容器2的横截面积S₁和S₂尽量大，而容器2上方的空间体积V尽量小，亦即S₂确定后，其上方的空间高度h_o尽量小。但是V太小时，装置对因传感器的接入、微小的漏气等因素而引起的体积变化更为敏感。因此，在确保精度的条件下，V可以放大些。一般情况下，S₁和S₂在60cm²和500cm²之间，密闭容器上方的空间高度h_o在0.2cm和10cm之间。为了设计时计算方便和有利于减小仪器的总的截面积，取S₁＝S₂。

本实用新型测试标定的原理如下。根据图2所示，设容器1和容器2的水平截面积分别为S₁和S₂，初始状态(即零位)时，容器1和2中的液面处于同一水平面C-C’，容器2中液面上方空间的体积为V，其中的初始压强即周围大气压强P。进行微压传感器测试标定时，通过丝杆10将容器1提升一个高度h。当容器1和2中的液面在容器坐标中的高度变化很小而可以忽略时，被测压力传感器上所感受到的压强变化就是Δh＝ρgh，这里ρ是液体的比重，g是重力加速度。这样，利用容器1提升所产生的压强就可以对压力传感器进行测量标定而不需要外加气压源。大大简化了微压压力传感器的测试标定工作。显然。容器1升高，容器2上方空气的压强增大时，其体积变小，因此，关系Δh＝ρgh是不够精确的。问题是，将容器1提升高度为h时，容器2中的实际压强变化多少？如何设计有关参数可以减少误差、提高精度？下面进行具体分析。

设开口容器1被提高h时，其中的液面实际升高的高度为h’。由于密闭容器2中的空气被压缩，所以h’＜b。即在容器1中观察到液面的下降Δh₁＝h-h’。容器2中的液面则要升高Δh₂。由于液体的不可压缩性，我们有： $\mathrm{\Δ}{h}_2=\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\Δh}}_1=\mathrm{k\Δ}{h}_1----\left(1\right)$ 其中k＝S₁/S₂，设此时容器2中的气体压力为P’。那么，

     P′＝P+ρgh′-ρgkΔh₁                          (2)因容器1升高h而引起的容器2中气体压力的变化为

       ΔP＝P′-P＝ρgh-ρgΔh₁-ρgkΔh₁             (3)因此，得到Δh₁的表式为： $\mathrm{\Δ}{h}_1=\frac{\mathrm{\ρgh}-\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρg}(1+k)}----\left(4\right)$

另外，利用气体方程P′V′＝PV，其中P′＝P+ΔP，V′＝V-S₁Δh₁，我们有：

        PV-PS₁Δh₁+Δp(V-S₁Δh₁)＝PV和

           ΔP(V-S₁Δh₁)-PS₁Δh₁＝0                  (5)将式(5)代入式(4)，我们得到ΔP的方程

           (ΔP)²+[P+Vρ/S-ρgh]ΔP-Pρgh＝0         (6)式中S称为容器1和容器2的复合截面积，它的定义为 $\frac{1}{S}=\frac{1}{S_1}+\frac{1}{S_2}----\left(7\right)$ 由式(6)解出ΔP为 $\mathrm{\ΔP}=\frac{1}{2}(P+\mathrm{\ρg}\frac{V}{S}-\mathrm{\ρgh})\{\sqrt{1+\frac{4\mathrm{P\ρgh}}{(P+\mathrm{\ρg}\frac{V}{S}-\mathrm{\ρgh})}}-1\}----\left(8\right)$

对于微压测试，ρgh＜＜P。在此条件下，将上式展开到二级小量，得到 $\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{P\ρgh}}{(P+\mathrm{\ρg}\frac{V}{S}-\mathrm{\ρgh})}\{1-\frac{\mathrm{P\ρgh}}{(P+\mathrm{\ρg}\frac{V}{S}-\mathrm{\ρgh}{)}^2}\}----\left(9\right)$ 上式可进一步写成 $\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{\ρgh}}{(1+\frac{\mathrm{\ρgV}}{\mathrm{PS}})}\{1+\frac{\mathrm{\ρg}\frac{V}{S}\·\mathrm{\ρgh}}{{(P+\mathrm{\ρg}\frac{V}{S})}^2}\}----\left(10\right)$ 上式中的V/S具有长度的量纲，相当于一个高度，我们称之为容器空间的等效高度，记为h_e。于是可以将式(10)写成为

       ΔP≡α(ρgh){1+β(ρgh)}                  (11)其中α称为灵敏度修正系数 $\mathrm{\α}=\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\ρg}{h}_e}{P}}----\left(12\right)$ 和 $\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\ρg}{h}_e}{{(P+\mathrm{\ρg}{h}_e)}^2}\≅\frac{\mathrm{\ρg}{h}_e}{P^2}----\left(13\right)$ 可见，在线性近似下，容器1提升高度为h时，密闭容器2中所产生的附加压强为ΔP＝α(ρgh)。采用首尾连线法，在密闭容器1提升高度的范围为0-hm时，附加压强ΔP随h变化关系(式11)的最大非线性(％FS)误差为： $\mathrm{NL}=-\frac{1}{4}\mathrm{\β\ρg}{h}_m\≅-\frac{\mathrm{\ρ}{\mathrm{gh}}_e\·\mathrm{\ρ}{\mathrm{gh}}_m}{{4P}^2}----\left(15\right)$ 注意该非线性误差为负值。以上关系也适用于开口容器1向下位移的情况。此时h和h_m为负值(h_e仍为正值)，而非线性则为正值。

现在我们讨论该装置的参数设计。为减小总面积，我们取S₁＝S₂(即S＝S₁/2＝S₂/2)。如果密闭容器上方固定空间的高度为h_o，对应的体积为V_o＝S₂×h_o。我们设因传感器接入等原因引起的密闭容器上方体积的最大增量为ΔV_ch＝5cm³。

从上述分析可知，影响该标定***精度的主要因素如下：

1、丝杆的定位误差Δx。Δx引起的相对误差为Δx/h_m。h_m由量程的大小决定。

2、灵敏度修正系数α的误差。由式(12) $\mathrm{\α}=\frac{1}{1+\frac{\mathrm{\ρ}{\mathrm{gh}}_e}{P}}$ 得到修正系数α的误差为 $\mathrm{\Δ\α}=-\frac{\mathrm{\ρg}}{P}{\mathrm{\Δh}}_e$ 和 ${\mathrm{\Δh}}_e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{S}$ 密闭容器上方的空间体积V的误差ΔV主要有两个来源：h_o的读数误差Δh_o引起的Δh_oS₂和ΔV_ch。因此 ${\mathrm{\Δh}}_e={\mathrm{\Δh}}_o\·S_2+\frac{\mathrm{\ΔV}}{S}$

可见，加大容器1和2的等效截面S和减小密闭容器2的空间体积V时，可以使h_e很小而使α近似为1。

3、密闭容器2中气体的压力随开口容器1的提升高度变化的线性度决定于开口容器的最大提升高度h_m和h_e。由端点直线法得到的最大非线性百分误差为 $\mathrm{NL}=-\frac{1}{4}\mathrm{\β\ρg}{h}_m\≅-\frac{\mathrm{\ρ}{\mathrm{gh}}_e\·\mathrm{\ρ}{\mathrm{gh}}_m}{4P^2}$

可见h_m和h_e越小(ρgh_m和ρgV/S＝ρgh_e远小于P)，非线性NL也越小。因此，该方法有利于微小量程压力传感器的标定。另外，h可以为正，也可以为负(即容器1可以升高也可以下降)，h为正时NL为负，h为负时NL为正。测试量程为-h_m到+h_m时，非线性误差的绝对值不增加或增加很少。因此，对满量程信号，非线性下降。

现在我们以量程为1000Pa(对应h_e＝0.1m)，总精度千分之一的要求为例进行设计计算。在总精度要求为0.001时，一般要求上述三个误差来源(即：丝杆误差Δx，ΔV引起的Δα，和h_m和h_e引起的非线性误差NL)都要小于总精度(即0.001)的20％即0.0002。

1)因为h_m＝10cm，Δx的要求为小于100000μm×0.0002＝20μm。

2)因为 $\mathrm{\Δ\α}=-\frac{\mathrm{\ρg}}{P}{\mathrm{\Δh}}_e$ 和 ${\mathrm{\Δh}}_e=\frac{\mathrm{\ΔV}}{S}$ 由Δα＝0.0002得到Δh_e＝0.002m。设Δh_o＝0.2mm，再由ΔV＝5cm³得到S＝31.25cm²即要求

          S₁＝S₂≥62.5cm²。

根据实际设计的可能，一般取S₁，S₂＜500cm²。

3)由式(15)和h_m＝10cm可以得到对h_e的要求为h_e＜0.83m或h_o＜0.4m。这是一个十分宽松的要求。实际上，h_o完全可以取得很小(如5mm到10mm)以减小***的体积。h_o越小时非线性也越小，它的影响甚至可以完全忽略。

对于其他量程如500Pa，200Pa等，非线性误差的影响也都可以忽略。对S的要求相同而对Δx的要求则按比率提高(要求更小的Δx)，如表一所示。

(表一)标定精度为千分之时对三种量程的设计

量程	1000Pa	500Pa	200Pa
				Δx≤	20μm	10μm	4μm
S≥	32cm2	32cm2	32cm2

因此，本实用新型中，设计参数的选择为：容器1和容器2的横截面积S1、S2在60cm²到500cm²之间，容器2上方空间的高度h_o在0.2cm到10cm之间，即可达到很高的精度。

利用本实用新型对我们研制的一种T-27高灵敏度压力传感器进行了测试。该传感器的灵敏度约为6mV/100Pa/5V。在0到500Pa量程内均匀的测试六个压强，五个来回程的测试得到的非线性曲线如图三所示，器件的非线性为±0.0015，所有测试点的总的标准偏差为σ＝0.015mV，对应于0.25Pa的压强。这一结果已明显超过通常的补偿式微压计所能达到的精度标准。

附图说明：

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的原理图

图3为利用本实用新型测试微压压力传感器的非线性曲线图。

其中标号1为开口可移动容器，2为密闭固定容器，3为水位观察窗，4为连通管，5为三通阀，6为被测传感器，7为刻度转盘，8为仪器支架、9为滑动台架，10为丝杆，11为容器和连通管中的液体(水)。

实施例：一组比较实用的设计参数是，丝杆的精度要求是4μm，容器截面积S₁和S₂都取100cm²，在密闭容器2的液面上方留有5mm高度的空间。这样，我们可以得到复合截面积S＝50cm²(满足＞32cm²的要求)。因为密闭空间体积为V＝50cm³，空间的等效高度h_e＝1cm＝0.01m。如标定的量程为1kPa，密闭水盒的最大提升高度h_m约为10cm即0.1m。在环境空气为一个大气压时P＝100kPa。将以上数据代入式(12)和(14)，可得到α＝0.9990和NL＝2.4×10^-6(％FS)。如忽略修正因子α(即取α＝1)，则对灵敏度仅引入约千分之一的误差。非线性的影响则完全可以忽略。如因传感器接入等因素使体积V加大5cm³，则α减小0.0001，NL加大0.2×10^-6(％FS)。

如果把丝杆的加工精度提高到0.5μm(这在机械加工技术上是可能的)。该设计可以以万分之一的精度标定一个量程为200Pa的微压传感器的非线性。

Claims (4)

1、一种密闭容器微压传感器测量标定仪，由两个连通的容器、带有标尺和刻度转盘的精密丝杆和仪器支架构成，其特征在于两个容器都有均匀横截面，其中一个容器密闭，固定于仪器支架上；另一个容器开口，固定在活动台架上，其中间有一个圆形孔；精密丝杆穿过开口容器的园孔，控制活动台架及开口容器的上下移动；刻度转盘置于精密丝杆的上端部，并固定于仪器支架的另一支柱上；密闭容器的上方装有一个三通阀，以便于与被测传感器的连接操作和测量时使容器密闭。

2、根据权利要求1所述的密闭容器微压传感器测量标定仪，其特征在于开口容器横截面积S₁和密闭容器的横截面积S₂在60cm²到500cm²范围内，密闭容器中液面上方的空间高度h_o的范围是0.2cm到10cm。

3、根据权利要求2所述的密闭容器微压传感器测量标定仪，其特征在于密闭容器横截面积S₂和开口容器的横截面积S₁参数取相同值。

4、根据权利要求3所述的密闭容器微压传感器测量标定仪，其特征在于S₁＝S₂＝100cm²和h_o＝5mm。

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