密閉容器微壓傳感器測量標定儀的製作方法

2023-05-20 11:10:06

專利名稱：密閉容器微壓傳感器測量標定儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微壓壓力傳感器的測量標定裝置。
隨著微機械壓力傳感器技術的發展，壓力傳感器的靈敏度不斷提高。因此，壓力的測量也不斷的向著微小量程的方向發展。目前，高靈敏度壓力傳感器的量程已達到1kPa以下。隨之出現的問題是如何對微壓壓力傳感器實現快速而準確的標定的問題。
對微壓傳感器的最簡單的測試標定工具是充水的U形管。但由於水的表面張力引起的彎月面使讀數難以十分準確。一般講，對於量程在1kPa以下的壓力傳感器，測量精度只能達到百分之一到千分之五之間。另外，該方法需要一個能精確控制的穩定氣壓源。對於微小的壓力來講，這也是有一定困難的。
對這一基本方法有許多改進形式，典型的有斜管式微壓計和補償式微壓計等。斜管式微壓計通過將水管傾斜來加大水柱的長度以達到提高精度的目的。但傾斜的管子也增加了讀數的困難。因此斜管式微壓計對精度的改進並不大。補償式微壓計通過改進水準觀測方法和微調絲杆來提高測量精度。但這種方法的測量仍然依賴於對液面水準的觀測，精度難以提的很高。測量速度慢而觀測者容易疲勞。實際的補償式微壓計，測量精度為0.8Pa，最高可以達到0.4Pa。也就是說，對於1kPa量程的壓力傳感器來講，測量精度要求為±0.1％時，勉強可以使用。對於量程更小的壓力傳感器或更高的精度要求就難以應付了。例如微壓壓力傳感器的量程為500Pa，要求測量的精度為千分之一時，要求測量儀器的精度必須優於萬分之二，即儀器的絕對測量精度為0.1Pa，這是補償式微壓計難以達到的。
另一類原理完全不同的壓力測量方法是浮球式壓力計。該方法利用氣流的拖動力將一個置於圓形管道口的球體託起，在球體上加載砝碼，管道內的壓強就由砝碼的重量除以管道的有效截面決定。該方法的原理與活塞式壓力計是相同的，可以用於產生較高精度的壓強並且便於定點的測試。但是該方法存在一個由浮球的重量決定的死區，死區的下限約為100Pa。在死區以上的壓強範圍內測試點的壓強則由砝碼的重量及其組合決定而不能隨意選擇，這構成了對實際測量的限制。另外，該方法在測試時(特別是在採用砝碼組合時)需要頻繁的裝、卸砝碼並每次都要把氣體的流量調節到規定值，操作相當繁雜，測試速度慢。
本實用新型的目的在於提供一種操作方便、測試快速、精度很高的微壓壓力傳感器的測量標定裝置。
本實用新型設計的密閉容器微壓傳感器測量標定裝置由兩個連通的容器、帶有標尺和刻度轉盤的精密絲杆和儀器支架構成，兩個容器都有均勻的橫截面，其下方由軟管連接相通，容器中充有適當高度的液體(水)。兩個容器中的一個為密閉容器，固定於儀器支架一側的一個支柱上；另一個為中間有圓孔的開口容器，固定於滑動臺架上，精密絲杆穿過開口容器中間的圓孔，控制滑動臺架及開口容器的上下移動；刻度轉盤設置於儀器支架的另一個支柱上，與精密絲杆的上端連接；密閉容器的上方裝有一個三通閥，以便於與被測傳感器連接和測量時使容器密閉。為便於觀察密閉容器中的液位高度，該容器的一個側面設有一個液位觀察窗。其結構如圖1所示。圖2給出了測量原理圖。
使用時，先轉動絲杆10上方的轉盤7，將開口活動容器1的位置調節到零位，將三通閥門5轉到三路全通的位置，接上被測傳感器6。通過密閉容器上的觀察窗3觀察密閉容器中的液位高度，該高度可以通過向開口容器中注水或抽水加以控制。在調節好液面後將三通閥門5轉到僅連接密閉容器和傳感器的位置(如圖中所示的位置)標定工作即可開始。標定時只要通過轉動轉盤7，逐次把開口容器移動(提升或下降)到一個與某測試壓力相應的高度並記錄傳感器的響應輸出。這種方法的操作速度很快，一般每分鐘可以讀取五、六個數據。標定一個傳感器(5-7個測試點，五次上行和下行測試，即總共約50個測試)所需的時間約為15分鐘。作為對比，如用補償法標定一個傳感器，半天時間，往往也只能進行兩到三個上、下行測量循環。
本實用新型設計的裝置，其尺寸參數在考慮實際使用的許可和確保精度的前提下，要求容器1和容器2的橫截面積S1和S2儘量大，而容器2上方的空間體積V儘量小，亦即S2確定後，其上方的空間高度ho儘量小。但是V太小時，裝置對因傳感器的接入、微小的漏氣等因素而引起的體積變化更為敏感。因此，在確保精度的條件下，V可以放大些。一般情況下，S1和S2在60cm2和500cm2之間，密閉容器上方的空間高度ho在0.2cm和10cm之間。為了設計時計算方便和有利於減小儀器的總的截面積，取S1＝S2。
本實用新型測試標定的原理如下。根據圖2所示，設容器1和容器2的水平截面積分別為S1和S2，初始狀態(即零位)時，容器1和2中的液面處於同一水平面C-C』，容器2中液面上方空間的體積為V，其中的初始壓強即周圍大氣壓強P。進行微壓傳感器測試標定時，通過絲杆10將容器1提升一個高度h。當容器1和2中的液面在容器坐標中的高度變化很小而可以忽略時，被測壓力傳感器上所感受到的壓強變化就是Δh＝ρgh，這裡ρ是液體的比重，g是重力加速度。這樣，利用容器1提升所產生的壓強就可以對壓力傳感器進行測量標定而不需要外加氣壓源。大大簡化了微壓壓力傳感器的測試標定工作。顯然。容器1升高，容器2上方空氣的壓強增大時，其體積變小，因此，關係Δh＝ρgh是不夠精確的。問題是，將容器1提升高度為h時，容器2中的實際壓強變化多少？如何設計有關參數可以減少誤差、提高精度？下面進行具體分析。
設開口容器1被提高h時，其中的液面實際升高的高度為h』。由於密閉容器2中的空氣被壓縮，所以h』＜b。即在容器1中觀察到液面的下降Δh1＝h-h』。容器2中的液面則要升高Δh2。由於液體的不可壓縮性，我們有h2=S1S2h1=kh1----(1)]]>其中k＝S1/S2，設此時容器2中的氣體壓力為P』。那麼，
P′＝P+ρgh′-ρgkΔh1(2)因容器1升高h而引起的容器2中氣體壓力的變化為ΔP＝P′-P＝ρgh-ρgΔh1-ρgkΔh1(3)因此，得到Δh1的表式為h1=gh-pg(1+k)----(4)]]>另外，利用氣體方程P′V′＝PV，其中P′＝P+ΔP，V′＝V-S1Δh1，我們有PV-PS1Δh1+Δp(V-S1Δh1)＝PV和ΔP(V-S1Δh1)-PS1Δh1＝0 (5)將式(5)代入式(4)，我們得到ΔP的方程(ΔP)2+[P+Vρ/S-ρgh]ΔP-Pρgh＝0 (6)式中S稱為容器1和容器2的複合截面積，它的定義為1S=1S1+1S2----(7)]]>由式(6)解出ΔP為P=12(P+gVS-gh){1+4Pgh(P+gVS-gh)-1}----(8)]]>對於微壓測試，ρgh＜＜P。在此條件下，將上式展開到二級小量，得到P=Pgh(P+gVS-gh){1-Pgh(P+gVS-gh)2}----(9)]]>上式可進一步寫成P=gh(1+gVPS){1+gVSgh(P+gVS)2}----(10)]]>上式中的V/S具有長度的量綱，相當於一個高度，我們稱之為容器空間的等效高度，記為he。於是可以將式(10)寫成為ΔP≡α(ρgh){1+β(ρgh)} (11)其中α稱為靈敏度修正係數=11+gheP----(12)]]>和=ghe(P+ghe)2gheP2----(13)]]>可見，在線性近似下，容器1提升高度為h時，密閉容器2中所產生的附加壓強為ΔP＝α(ρgh)。採用首尾連線法，在密閉容器1提升高度的範圍為0-hm時，附加壓強ΔP隨h變化關係(式11)的最大非線性(％FS)誤差為NL=-14ghm-gheghm4P2----(15)]]>注意該非線性誤差為負值。以上關係也適用於開口容器1向下位移的情況。此時h和hm為負值(he仍為正值)，而非線性則為正值。
現在我們討論該裝置的參數設計。為減小總面積，我們取S1＝S2(即S＝S1/2＝S2/2)。如果密閉容器上方固定空間的高度為ho，對應的體積為Vo＝S2×ho。我們設因傳感器接入等原因引起的密閉容器上方體積的最大增量為ΔVch＝5cm3。
從上述分析可知，影響該標定系統精度的主要因素如下1、絲杆的定位誤差Δx。Δx引起的相對誤差為Δx/hm。hm由量程的大小決定。
2、靈敏度修正係數α的誤差。由式(12)=11+gheP]]>得到修正係數α的誤差為=-gPhe]]>和he=VS]]>密閉容器上方的空間體積V的誤差ΔV主要有兩個來源ho的讀數誤差Δho引起的ΔhoS2和ΔVch。因此he=hoS2+VS]]>可見，加大容器1和2的等效截面S和減小密閉容器2的空間體積V時，可以使he很小而使α近似為1。
3、密閉容器2中氣體的壓力隨開口容器1的提升高度變化的線性度決定於開口容器的最大提升高度hm和he。由端點直線法得到的最大非線性百分誤差為NL=-14ghm-gheghm4P2]]>可見hm和he越小(ρghm和ρgV/S＝ρghe遠小於P)，非線性NL也越小。因此，該方法有利於微小量程壓力傳感器的標定。另外，h可以為正，也可以為負(即容器1可以升高也可以下降)，h為正時NL為負，h為負時NL為正。測試量程為-hm到+hm時，非線性誤差的絕對值不增加或增加很少。因此，對滿量程信號，非線性下降。
現在我們以量程為1000Pa(對應he＝0.1m)，總精度千分之一的要求為例進行設計計算。在總精度要求為0.001時，一般要求上述三個誤差來源(即絲杆誤差Δx，ΔV引起的Δα，和hm和he引起的非線性誤差NL)都要小於總精度(即0.001)的20％即0.0002。
1)因為hm＝10cm，Δx的要求為小於100000μm×0.0002＝20μm。
2)因為=-gPhe]]>和he=VS]]>由Δα＝0.0002得到Δhe＝0.002m。設Δho＝0.2mm，再由ΔV＝5cm3得到S＝31.25cm2即要求S1＝S2≥62.5cm2。
根據實際設計的可能，一般取S1，S2＜500cm2。
3)由式(15)和hm＝10cm可以得到對he的要求為he＜0.83m或ho＜0.4m。這是一個十分寬鬆的要求。實際上，ho完全可以取得很小(如5mm到10mm)以減小系統的體積。ho越小時非線性也越小，它的影響甚至可以完全忽略。
對於其他量程如500Pa，200Pa等，非線性誤差的影響也都可以忽略。對S的要求相同而對Δx的要求則按比率提高(要求更小的Δx)，如表一所示。
(表一)標定精度為千分之時對三種量程的設計
因此，本實用新型中，設計參數的選擇為容器1和容器2的橫截面積S1、S2在60cm2到500cm2之間，容器2上方空間的高度ho在0.2cm到10cm之間，即可達到很高的精度。
利用本實用新型對我們研製的一種T-27高靈敏度壓力傳感器進行了測試。該傳感器的靈敏度約為6mV/100Pa/5V。在0到500Pa量程內均勻的測試六個壓強，五個來回程的測試得到的非線性曲線如圖三所示，器件的非線性為±0.0015，所有測試點的總的標準偏差為σ＝0.015mV，對應於0.25Pa的壓強。這一結果已明顯超過通常的補償式微壓計所能達到的精度標準。


圖1為本實用新型的結構示意圖。
圖2為本實用新型的原理圖圖3為利用本實用新型測試微壓壓力傳感器的非線性曲線圖。
其中標號1為開口可移動容器，2為密閉固定容器，3為水位觀察窗，4為連通管，5為三通閥，6為被測傳感器，7為刻度轉盤，8為儀器支架、9為滑動臺架，10為絲杆，11為容器和連通管中的液體(水)。
實施例一組比較實用的設計參數是，絲杆的精度要求是4μm，容器截面積S1和S2都取100cm2，在密閉容器2的液面上方留有5mm高度的空間。這樣，我們可以得到複合截面積S＝50cm2(滿足＞32cm2的要求)。因為密閉空間體積為V＝50cm3，空間的等效高度he＝1cm＝0.01m。如標定的量程為1kPa，密閉水盒的最大提升高度hm約為10cm即0.1m。在環境空氣為一個大氣壓時P＝100kPa。將以上數據代入式(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)，則對靈敏度僅引入約千分之一的誤差。非線性的影響則完全可以忽略。如因傳感器接入等因素使體積V加大5cm3，則α減小0.0001，NL加大0.2×10-6(％FS)。
如果把絲杆的加工精度提高到0.5μm(這在機械加工技術上是可能的)。該設計可以以萬分之一的精度標定一個量程為200Pa的微壓傳感器的非線性。
權利要求1.一種密閉容器微壓傳感器測量標定儀，由兩個連通的容器、帶有標尺和刻度轉盤的精密絲杆和儀器支架構成，其特徵在於兩個容器都有均勻橫截面，其中一個容器密閉，固定於儀器支架上；另一個容器開口，固定在活動臺架上，其中間有一個圓形孔；精密絲杆穿過開口容器的園孔，控制活動臺架及開口容器的上下移動；刻度轉盤置於精密絲杆的上端部，並固定於儀器支架的另一支柱上；密閉容器的上方裝有一個三通閥，以便於與被測傳感器的連接操作和測量時使容器密閉。
2.根據權利要求1所述的密閉容器微壓傳感器測量標定儀，其特徵在於開口容器橫截面積S1和密閉容器的橫截面積S2在60cm2到500cm2範圍內，密閉容器中液面上方的空間高度ho的範圍是0.2cm到10cm。
3.根據權利要求2所述的密閉容器微壓傳感器測量標定儀，其特徵在於密閉容器橫截面積S2和開口容器的橫截面積S1參數取相同值。
4.根據權利要求3所述的密閉容器微壓傳感器測量標定儀，其特徵在於S1＝S2＝100cm2和ho＝5mm。
專利摘要一種微壓傳感器測量標定裝置,由兩個連通的均橫截面容器、帶有標尺和刻度轉盤的精密絲杆以及支架構成。容器中注有液體,並使其有恰當的液位。其中一個容器開口,由精密絲杆控制其上下移動;另一容器密閉、固定,與被測傳感器連接。根據精度要求,選擇合適容器橫截面、容器上方的空間體積、絲杆精度。測量標定時,只要逐次轉動轉盤,使開口容器移動到與測試壓強相應的高度,記錄傳感器的響應輸出即可。使用本裝置操作方便、速度快,精度高、可取代同類的測量標定儀器。
文檔編號G01L7/00GK2382014SQ9822498
公開日2000年6月7日 申請日期1998年8月28日 優先權日1998年8月28日
發明者鮑敏杭, 沈紹群, 楊恆 申請人:復旦大學