1 功能簡介

1.1 塑性測壓元件（銅柱/銅球）準動態(tài)校準

基于落錘式壓力發(fā)生裝置可以實現(xiàn)銅球、銅柱等塑性測壓元件的準動態(tài)校準，準動態(tài)校準技術(shù)可有效地減小靜動差。所謂準動態(tài)校準，就是用已知峰值且波形與膛壓曲線接近的壓力脈沖作用于塑性敏感元件上，得出峰壓和敏感元件的輸出（銅柱是變形量，銅球是壓后高）間的對應(yīng)關(guān)系，再據(jù)此編出動態(tài)壓力對照表。由于校準壓力源和待測壓力有相似的動態(tài)特征，可以有效減小塑性測壓器件的靜動差。

1.2 各類壓力傳感器的老化處理

準靜態(tài)校準裝置依靠PLC控制系統(tǒng)，準靜態(tài)校準裝置可以自動產(chǎn)生幅值不同的準靜態(tài)壓力載荷。通過向傳感器不斷施加準靜態(tài)壓力載荷，可以輕松實現(xiàn)傳感器老化過程的自動化進行。

1.3 壓電式傳感系統(tǒng)準靜態(tài)校準

校準裝置依靠準靜態(tài)壓力發(fā)生裝置準產(chǎn)生2-8ms脈寬的近半正弦信號作為激勵信號，可解決壓電式壓力傳感器靜態(tài)及低頻特性不佳而不適用于靜態(tài)校準的問題，適用于壓電式壓力傳感器的校準。針對不同量程的壓力傳感器可以選用擺錘/落錘產(chǎn)生激勵信號，可以保證激勵信號有足夠的壓力分辨率。擺錘式準靜態(tài)校準系統(tǒng)適用于小量程（0-10MPa）傳感器的校準，而落錘式準靜態(tài)校準裝置適用于大量程（0-1000MPa）傳感器的校準。

1.4 壓力傳感系統(tǒng)的溫度特性參數(shù)獲取

校準裝置配備校準溫度控制裝置，通過將造壓油缸組件放置在保溫箱中，可以對被校傳感器所處環(huán)境的溫度進行控制。依靠溫度特性優(yōu)秀的壓力傳感器組成標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)，可在不同的環(huán)境下對傳感器進行校準，從而獲取傳感器的靈敏度、線性度等工作特性參數(shù)隨溫度的變化。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 校準系統(tǒng)的組成

校準系統(tǒng)主要由造壓油缸、高低溫控制系統(tǒng)、落錘式準靜態(tài)壓力發(fā)生裝置、擺錘式準靜態(tài)壓力發(fā)生裝置組成。

圖1  準靜態(tài)校準系統(tǒng)原理框圖

1. 造壓油缸

造壓油缸是產(chǎn)生激勵壓力的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。造壓油缸主要包括：油缸本體、精密活塞缸、精密活塞桿、溢流閥等。通過調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，如擺錘質(zhì)量、活塞桿工作面積以及造壓油缸的初始容積等可以獲得不同脈寬和幅值的半正弦壓力信號。

圖 2 造壓油缸外形示意圖

落錘/擺錘式壓力發(fā)生裝置通過錘頭錘擊活塞桿壓縮油缸內(nèi)部的造壓油從而實現(xiàn)傳感器的校準。油缸本體上設(shè)計有多個標(biāo)準壓力傳感器安裝孔及被校傳感器安裝孔，被標(biāo)傳感器通過專門設(shè)計的轉(zhuǎn)接件安裝到造壓油缸上，轉(zhuǎn)接件可用于各類壓力傳感器的連接。

2. 落錘式壓力發(fā)生裝置

落錘裝置主要由以下幾部分組成：校準裝置框架、造壓油缸、重錘組件、提錘組件、托錘組件和防爆機柜等，如圖 3所示。改變重錘質(zhì)量、重錘高度、造壓油缸的初始容積及活塞工作面積，可產(chǎn)生用于傳感器標(biāo)定用的各種峰值和脈寬的激勵壓力信號。

a）落錘裝置實物圖                 b）落錘裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖 3落錘裝置總體機械結(jié)構(gòu)

落錘式準靜態(tài)校準裝置采用重錘錘擊造壓油缸活塞桿纏身激勵壓力。重錘主要由基本錘架和配重盤片構(gòu)成，通過添加不同質(zhì)量的配重盤片實現(xiàn)不同的質(zhì)量要求。重錘結(jié)構(gòu)如圖 4所示，主要由基本錘架、錘頭、過渡件、配重盤片組合、吸盤扇形導(dǎo)套等構(gòu)成。

圖 4 重錘組件結(jié)構(gòu)

提錘組件主要包括直線定位組件和提錘臂（含電磁起重器），直線定位組件由PLC發(fā)出工作指令驅(qū)動步進電機帶動滾珠絲杠，從而定位掛錘系統(tǒng)及重錘高度。

校零器的主要功能在于確定光柵尺位移行程的零點，以精確定位重錘與活塞工作面之間的高度。每次安裝造壓油缸后，需在重錘外側(cè)套上校零器，控制重錘緩慢下落直至校零器觸碰到活塞桿表面產(chǎn)生接觸信號，此時信號被反饋至PLC端，將此刻重錘位置記做光柵尺的相對零位，并在PLC內(nèi)置程序內(nèi)將下落高度置為校零器的高度。在此之后重錘上升至安全高度，系統(tǒng)進入試驗的待機狀態(tài)。

托錘系統(tǒng)連接板分別與兩側(cè)的無桿氣缸活塞（滑臺）連接，由連接架連為一體，保證兩側(cè)氣缸同步運動。托錘組件的主要作用是將重錘提升到電磁起重器可以吸錘的位置和防止二次擊錘。當(dāng)落錘下落擊中活塞組件后，通過安裝在框架上的重錘感應(yīng)開關(guān)控制氣動托錘板快速上升。

落錘液壓校準裝置采用PLC全自動控制，并配備觸摸屏進行操作。控制系統(tǒng)與校準裝置本體之間通過專用線纜連接，并預(yù)留與上位機的通信接口�？刂葡到y(tǒng)具有提升高度輸入、提升高度實時顯示、壓力和脈寬估算等一系列功能�？刂葡到y(tǒng)的組成如圖 5所示，其主要PLC、觸摸屏、位置監(jiān)測傳感器和各控制及執(zhí)行元件。

圖 5 控制系統(tǒng)的組成框圖

3. 擺錘式準靜態(tài)校準裝置

擺錘式準靜態(tài)校準裝置主要依靠擺錘錘頭錘擊造壓油缸活塞桿產(chǎn)生半正弦壓力信號。校準裝置主要由驅(qū)動模塊（步進電機組）、執(zhí)行模塊（擺錘-油缸機構(gòu)）及PLC控制系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。擺錘裝置產(chǎn)生的壓力幅值為0~10MPa，壓力脈寬為2~8ms，適用于小量程壓力傳感器的準靜態(tài)校準。校準裝置所具有的基本功能主要包括：精確提升擺錘、固定擺錘、擺錘自由下落以及防二次撞擊等。

圖 6 擺錘式壓力發(fā)生器

校準裝置能夠通過PLC控制步進電機提升擺錘到指定位置。依靠相應(yīng)的傳感器可以測出擺錘的提升角度，并反饋至PLC模塊，從而精確控制擺錘的提升高度。在擺錘自由下落時，斷開擺桿和驅(qū)動單元物理連接，應(yīng)盡可能地減少擺錘的下落阻力，盡滿足擺錘和活塞的撞擊速度要求。校準裝置具有相應(yīng)的防止二次撞擊的裝置，可避免反彈后的擺錘再次撞擊活塞。

擺錘式壓力發(fā)生器采用PLC全自動控制，并配備觸摸屏進行操作�？刂葡到y(tǒng)與校準裝置本體之間通過專用線纜連接，并預(yù)留與上位機的通信接口�？刂葡到y(tǒng)具有擺錘提升角度輸入、提升角度實時顯示等一系列功能。擺錘裝置控制系統(tǒng)主要包含控制箱組成，控制箱由HMI觸摸屏、PLC可編程控制器、繼電器、開關(guān)電源以及步進電機，其具體組成如圖 7所示。

圖 7 擺錘裝置控制系統(tǒng)組成

2.2 壓力監(jiān)測系統(tǒng)

1. 壓力監(jiān)測系統(tǒng)組成

擺錘式標(biāo)準壓力傳感器針對常用量程的沖擊波壓力傳感器（50psi（0.345MPa）、100psi（0.69MPa）、200psi（1.38MPa）、500psi（3.45MPa）、1000psi（6.9MPa）），沖擊波壓力校準系統(tǒng)選用Kistler公司量程為25MPa的601CAA壓電式壓力傳感器。601CAA壓電式壓力傳感器如圖4.1所示，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4.1所列。

圖 8 601CAA壓力傳感器實物圖

表1  601CAA傳感器技術(shù)參數(shù)

為了提高0~1MPa低量程段的壓力監(jiān)測精度，本項目擬采取以下措施：

1）在0~1MPa壓力范圍內(nèi)單獨進行量值傳遞，采用多輪循環(huán)校準的方法，建立標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)在低量程段內(nèi)的工作方程；

2）通過增大電荷放大器的放大倍數(shù)，提高標(biāo)準傳感器601CAA的壓力分辨率；

3）借助于電荷校正器對電荷放大器進行校正，以減小調(diào)理器的電荷漂移。

除了在10~25MPa時選用601CAA壓力傳感器，落錘式標(biāo)準壓力傳感器選用Kistler公司的1000MPa的6213BK型壓力傳感器用作壓力量程段25~700MPa的準靜態(tài)校準。6213BK壓力傳感器如圖4.2所示，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4.2所列。

圖 9 壓力傳感器實物圖

表2  6213BK壓力傳感器技術(shù)參數(shù)

壓力傳感器適配的是Kistler公司5018A電荷放大器，該型號電荷放大器實物如圖4.3所示，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4.3所列。

圖 10 5018A型電荷放大器實物圖

表3  5018A型電荷放大器技術(shù)參數(shù)

2. 不確定度分析

1）傳感器引入的不確定度分析

采用kistler公司的601CAA和6213BK傳感器作為標(biāo)準傳感器，由601CAA傳感器說明書可得傳感器的線性度、重復(fù)性、遲滯分別為,，，其中線性度、重復(fù)性、遲滯性按均勻分布計算，則601CAA引入的不確定度為。由6213BK傳感器說明書可得傳感器的線性度、重復(fù)性、遲滯分別為,，，因此6213BK傳感器引入的不確定度為。

2）標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)不確定度分析

除了傳感器本身引入的不確定度外，系統(tǒng)的不確定度還由以下分量組成。調(diào)理器的增益誤差及漂移誤差引起的不確定度可記為、，有：

                         （4.1）

式中、 可采用B類不確定度進行計算，按均勻分布的形式計算，可從相應(yīng)說明書中找到對應(yīng)增益誤差及漂移誤差，則有

                                 （4.2）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)線性、增益及量化引起的不確定度為：

                           （4.3）

壓力基準源不確定度取實際采用的活塞式壓力機的不確定度，由計量部門提供的校準證書可得擴展不確定度為0.02%（k=3），則

                      （4.4）

根據(jù)以往的經(jīng)驗數(shù)據(jù)電測系統(tǒng)實際工況及環(huán)境引起的電噪聲有。據(jù)相關(guān)資料給定的造壓油缸壓力不一致性可取0.2%綜上，由單通道引入的標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)壓力監(jiān)測不確定度為

        (4.5)

兩路壓力測量系統(tǒng)構(gòu)成標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準不確定度為

                    (4.6)

其擴展不確定度U（k=2）為

                   (4.7)

四路壓力測量系統(tǒng)構(gòu)成標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準不確定度為

                    (4.6)

其擴展不確定度U（k=2）為

                   (4.7)

2.3 量傳途徑

量值傳遞是測量系統(tǒng)校準的基礎(chǔ)，測量結(jié)果具有“溯源性”，是量值傳遞準確一致的前提。校準系統(tǒng)采用的直接比對式校準方法傳遞路線較短，精度較高。依照國家計量等級鏈逐級進行量值傳遞，保證被測對象的量值準確和統(tǒng)一。具體量傳途徑如圖所示。

圖 11量傳途徑圖

準靜態(tài)校準的量值傳遞分為三步：首先，通過質(zhì)量和長度基準傳遞到活塞式壓力計；其次，經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定，由活塞式壓力計將標(biāo)準壓力傳遞至標(biāo)準壓力傳感系統(tǒng)；最后，經(jīng)過準靜態(tài)校準，經(jīng)造壓油缸由標(biāo)準壓力監(jiān)測系統(tǒng)傳遞至被校壓力傳感系統(tǒng)。

3 落錘/擺錘式準靜態(tài)校準系統(tǒng)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

l  壓力校準范圍：擺錘式準靜態(tài)校準裝置：0-10MPa

落錘式準靜態(tài)校準裝置0-1000MPa；

l  壓力波形：近似半正弦形

l  溫度控制范圍：-40-135℃

l  準靜態(tài)壓力脈寬：2-8ms（可調(diào)）

l  監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測不確定度。

3.2 主要功能及控制方式

1. 準靜態(tài)/準動態(tài)校準功能

準靜態(tài)/準動態(tài)校準采用PLC控制落錘/擺錘校準裝置進行。校準過程可通過控制面板控制校準過程中提錘高度等相關(guān)參數(shù)。校準數(shù)據(jù)依靠采集系統(tǒng)傳輸給上位機。通過數(shù)據(jù)處理軟件可計算得出被校傳感器的靈敏度、線性度等工作特性參數(shù)并生成實驗報告。除此之外，軟件還可以根據(jù)實際需求進行界面及功能上的定制。

2. 傳感器老化功能

傳感器老化過程通過PLC控制器控制落錘/擺錘準靜態(tài)壓力發(fā)生裝置不斷向傳感器施加不同幅值的壓力載荷實現(xiàn)，老化過程可以在控制裝置的控制下自動進行。老化時間施加壓力等相關(guān)參數(shù)可以通過控制面板進行設(shè)計。

3. 壓力傳感系統(tǒng)高低溫校準功能

該功能由準靜態(tài)校準系統(tǒng)與高低溫環(huán)境控制系統(tǒng)配合實現(xiàn)。通過高低溫度控制箱可以控制壓縮機或加熱器將造壓油缸的保溫箱溫度控制到設(shè)定值。在保溫指定時間后，采用準靜態(tài)校準系統(tǒng)可以對處于指定環(huán)境溫度的傳感器進行校準，進而獲得不同溫度下的傳感器工作特性參數(shù)。

4 典型應(yīng)用例

4.1 數(shù)據(jù)處理方法

由于擺錘及落錘的狀態(tài)控制的原因，很難保證設(shè)定同樣的擺角及落高每次可以打出同樣的壓力峰值。導(dǎo)致擺錘裝置在多次校準中難以準確實現(xiàn)某個特定壓力值，采用靜態(tài)特性求取方法并不適用于準靜態(tài)校準。為給出準靜態(tài)校準被校傳感系統(tǒng)的工作特性參數(shù)（包括靈敏度、非線性度以及重復(fù)性）求取準則，開展準靜態(tài)校準數(shù)據(jù)處理方法研究。假設(shè)第i輪第j個標(biāo)定點的“標(biāo)準”壓力為，對應(yīng)被校系統(tǒng)的 輸出電壓為，i=1~m，m為輪數(shù)，j=1~n，n為標(biāo)定點數(shù)。按最小二乘原則對第i輪校準數(shù)據(jù)線性擬合可得該輪的參考特性方程為：

式中，為標(biāo)準壓力，為對應(yīng)的輸出電壓，為第i輪工作曲線的偏置，為第i輪工作曲線的斜率。在傳感器量程范圍內(nèi)由大到小均勻地取n個理想“標(biāo)準”壓力點(k=1,2,…,n)，將代入第i輪參考特性方程，得對應(yīng)的預(yù)測電壓值。將m輪的預(yù)測電壓值做算術(shù)平均，可得預(yù)測電壓平均值為，對n組()最小二乘擬合，得被校系統(tǒng)的工作特性方程為：

(a) 靈敏度

由工作特性方程可知，式中b為被校系統(tǒng)的偏置，單位為V；s為被校系統(tǒng)的靈敏度，單位為V/MPa。

(b) 非線性

非線性是系統(tǒng)的實際輸入輸出特性曲線對于理想線性輸入輸出特性的接近或偏離程度，非線性按式(3)計算：

式中，為殘差最大值，為被校系統(tǒng)滿量程輸出，是將第i輪第j個標(biāo)定點的標(biāo)準壓力代入工作特性方程(2)得到的預(yù)測電壓值。

(c) 重復(fù)性

重復(fù)性是指標(biāo)定值的分散性，是一種隨機誤差，可根據(jù)標(biāo)準偏差來計算重復(fù)性，重復(fù)性按式(4)計算：

式中為標(biāo)準偏差，K為置信因子，各標(biāo)定點的標(biāo)準偏差可用貝塞爾公式計算：

式中，為第i輪的剩余標(biāo)準偏差，描述了該輪被校系統(tǒng)的電壓輸出相對于該輪參考特性方程的偏離程度：

式中，q為回歸方程的待定參數(shù)個數(shù)，此處q=2。

標(biāo)準偏差為：

4.2 校準應(yīng)用例

以200psi量程的IEPE反射壓傳感器為例，進行準靜態(tài)校準試驗，5輪校準結(jié)果如表4所列。

表4  傳感器的校準結(jié)果

第1輪最低壓力點和最高壓力點的校準波形如圖12所示。

圖12  第1輪典型校準曲線

對每輪數(shù)據(jù)進行最小二乘線性回歸，得每輪參考特性方程如圖13及表5所示。

圖13  沖擊波壓力傳感器5輪參考特性曲線

表5  每輪參考特性方程、相關(guān)系數(shù)及剩余標(biāo)準偏差

按靈敏度計算方法，代入表4、表5數(shù)據(jù)，可得傳感器的工作特性方程為:。靈敏度為4.050V/MPa。非線性按式(3)計算為0.83%，重復(fù)性按式(4)計算為0.59%，取k=2。