1 功能簡介

1.1 塑性測(cè)壓元件（銅柱/銅球）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

基于落錘式壓力發(fā)生裝置可以實(shí)現(xiàn)銅球、銅柱等塑性測(cè)壓元件的準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)可有效地減小靜動(dòng)差。所謂準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，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(duì)應(yīng)關(guān)系，再據(jù)此編出動(dòng)態(tài)壓力對(duì)照表。由于校準(zhǔn)壓力源和待測(cè)壓力有相似的動(dòng)態(tài)特征，可以有效減小塑性測(cè)壓器件的靜動(dòng)差。

1.2 各類壓力傳感器的老化處理

準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置依靠PLC控制系統(tǒng)，準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置可以自動(dòng)產(chǎn)生幅值不同的準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷。通過向傳感器不斷施加準(zhǔn)靜態(tài)壓力載荷，可以輕松實(shí)現(xiàn)傳感器老化過程的自動(dòng)化進(jìn)行。

1.3 壓電式傳感系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)裝置依靠準(zhǔn)靜態(tài)壓力發(fā)生裝置準(zhǔn)產(chǎn)生2-8ms脈寬的近半正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)，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(zhǔn)的問題，適用于壓電式壓力傳感器的校準(zhǔn)。針對(duì)不同量程的壓力傳感器可以選用擺錘/落錘產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，可以保證激勵(lì)信號(hào)有足夠的壓力分辨率。擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)適用于小量程（0-10MPa）傳感器的校準(zhǔn)，而落錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置適用于大量程（0-1000MPa）傳感器的校準(zhǔn)。

1.4 壓力傳感系統(tǒng)的溫度特性參數(shù)獲取

校準(zhǔn)裝置配備校準(zhǔn)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(duì)被校傳感器所處環(huán)境的溫度進(jìn)行控制。依靠溫度特性優(yōu)秀的壓力傳感器組成標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可在不同的環(huán)境下對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，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(zhǔn)系統(tǒng)的組成

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

圖1  準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

1. 造壓油缸

造壓油缸是產(chǎn)生激勵(lì)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(hào)。

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(shí)現(xiàn)傳感器的校準(zhǔn)。油缸本體上設(shè)計(jì)有多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)裝置框架、造壓油缸、重錘組件、提錘組件、托錘組件和防爆機(jī)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(lì)壓力信號(hào)。

a）落錘裝置實(shí)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(jī)械結(jié)構(gòu)

落錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置采用重錘錘擊造壓油缸活塞桿纏身激勵(lì)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(shí)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(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)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(diǎn)，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(hào)，此時(shí)信號(hào)被反饋至PLC端，將此刻重錘位置記做光柵尺的相對(duì)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(jìn)入試驗(yàn)的待機(jī)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(tái)）連接，由連接架連為一體，保證兩側(cè)氣缸同步運(yùn)動(dòng)。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(dòng)托錘板快速上升。

落錘液壓校準(zhǔn)裝置采用PLC全自動(dòng)控制，并配備觸摸屏進(jìn)行操作�？刂葡到y(tǒng)與校準(zhǔn)裝置本體之間通過專用線纜連接，并預(yù)留與上位機(jī)的通信接口�？刂葡到y(tǒng)具有提升高度輸入、提升高度實(shí)時(shí)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(cè)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(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置

擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)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(hào)。校準(zhǔn)裝置主要由驅(qū)動(dòng)模塊（步進(jìn)電機(jī)組）、執(zhí)行模塊（擺錘-油缸機(jī)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(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)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(zhǔn)裝置能夠通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)提升擺錘到指定位置。依靠相應(yīng)的傳感器可以測(cè)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(shí)，斷開擺桿和驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)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(dòng)控制，并配備觸摸屏進(jìn)行操作�？刂葡到y(tǒng)與校準(zhǔn)裝置本體之間通過專用線纜連接，并預(yù)留與上位機(jī)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(shí)時(shí)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(jìn)電機(jī)，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(cè)系統(tǒng)

1. 壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

擺錘式標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器針對(duì)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(zhǔn)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(shí)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(cè)精度，本項(xiàng)目擬采取以下措施：

1）在0~1MPa壓力范圍內(nèi)單獨(dú)進(jìn)行量值傳遞，采用多輪循環(huán)校準(zhǔn)的方法，建立標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)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(zhǔn)傳感器601CAA的壓力分辨率；

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

除了在10~25MPa時(shí)選用601CAA壓力傳感器，落錘式標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。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(shí)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(hào)電荷放大器實(shí)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(shí)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(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)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(jìn)行計(jì)算，按均勻分布的形式計(jì)算，可從相應(yīng)說明書中找到對(duì)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(zhǔn)源不確定度取實(shí)際采用的活塞式壓力機(jī)的不確定度，由計(jì)量部門提供的校準(zhǔn)證書可得擴(kuò)展不確定度為0.02%（k=3），則

                      （4.4）

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)電測(cè)系統(tǒng)實(shí)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(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力監(jiān)測(cè)不確定度為

        (4.5)

兩路壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

                    (4.6)

其擴(kuò)展不確定度U（k=2）為

                   (4.7)

四路壓力測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

                    (4.6)

其擴(kuò)展不確定度U（k=2）為

                   (4.7)

2.3 量傳途徑

量值傳遞是測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)，測(cè)量結(jié)果具有“溯源性”，是量值傳遞準(zhǔn)確一致的前提。校準(zhǔn)系統(tǒng)采用的直接比對(duì)式校準(zhǔn)方法傳遞路線較短，精度較高。依照國家計(jì)量等級(jí)鏈逐級(jí)進(jìn)行量值傳遞，保證被測(cè)對(duì)象的量值準(zhǔn)確和統(tǒng)一。具體量傳途徑如圖所示。

圖 11量傳途徑圖

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

3 落錘/擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

l  壓力校準(zhǔn)范圍：擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)裝置：0-10MPa

落錘式準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)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(zhǔn)靜態(tài)壓力脈寬：2-8ms（可調(diào)）

l  監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)不確定度。

3.2 主要功能及控制方式

1. 準(zhǔn)靜態(tài)/準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)功能

準(zhǔn)靜態(tài)/準(zhǔn)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)采用PLC控制落錘/擺錘校準(zhǔn)裝置進(jìn)行。校準(zhǔn)過程可通過控制面板控制校準(zhǔn)過程中提錘高度等相關(guān)參數(shù)。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)依靠采集系統(tǒng)傳輸給上位機(jī)。通過數(shù)據(jù)處理軟件可計(jì)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(shí)驗(yàn)報(bào)告。除此之外，軟件還可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)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(zhǔn)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(shí)現(xiàn)，老化過程可以在控制裝置的控制下自動(dòng)進(jìn)行。老化時(shí)間施加壓力等相關(guān)參數(shù)可以通過控制面板進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3. 壓力傳感系統(tǒng)高低溫校準(zhǔn)功能

該功能由準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)與高低溫環(huán)境控制系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)。通過高低溫度控制箱可以控制壓縮機(jī)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(shí)間后，采用準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)系統(tǒng)可以對(duì)處于指定環(huán)境溫度的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，進(jìn)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(zhǔn)中難以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)某個(gè)特定壓力值，采用靜態(tài)特性求取方法并不適用于準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)。為給出準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)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(zhǔn)則，開展準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理方法研究。假設(shè)第i輪第j個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的“標(biāo)準(zhǔn)”壓力為，對(duì)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(diǎn)數(shù)。按最小二乘原則對(duì)第i輪校準(zhǔn)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(zhǔn)壓力，為對(duì)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(gè)理想“標(biāo)準(zhǔn)”壓力點(diǎn)(k=1,2,…,n)，將代入第i輪參考特性方程，得對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)電壓值。將m輪的預(yù)測(cè)電壓值做算術(shù)平均，可得預(yù)測(cè)電壓平均值為，對(duì)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(shí)際輸入輸出特性曲線對(duì)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(jì)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(gè)標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)壓力代入工作特性方程(2)得到的預(yù)測(cè)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(jī)誤差，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差來計(jì)算重復(fù)性，重復(fù)性按式(4)計(jì)算：

式中為標(biāo)準(zhǔn)偏差，K為置信因子，各標(biāo)定點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差可用貝塞爾公式計(jì)算：

式中，為第i輪的剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差，描述了該輪被校系統(tǒng)的電壓輸出相對(duì)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(gè)數(shù)，此處q=2。

標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

4.2 校準(zhǔn)應(yīng)用例

以200psi量程的IEPE反射壓傳感器為例，進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)試驗(yàn)，5輪校準(zhǔn)結(jié)果如表4所列。

表4  傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果

第1輪最低壓力點(diǎn)和最高壓力點(diǎn)的校準(zhǔn)波形如圖12所示。

圖12  第1輪典型校準(zhǔn)曲線

對(duì)每輪數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhǔn)偏差

按靈敏度計(jì)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(jì)算為0.83%，重復(fù)性按式(4)計(jì)算為0.59%，取k=2。