影响压力传感器温度特性的因素分析_程向华

影响压力传感器温度特性的因素分析

程向华, 厉彦忠, 谭宏博

(西安交通大学能源与动力工程学院, 西安710049)

摘要:压力传感器性能易受温度变化的影响, 从而增加了测量结果的误差。文中通过对压力传感器工作原理及

结构的介绍, 理论分析了影响压力传感器温度特性的因素, 并建立一套压力传感器变温校验系统, 进而通过实验说明了温度变化对压力传感器信号输出的影响。同时, 也对目前国内在低温环境下压力传感器的应用及研究情况进行了介绍。

关键词:压力传感器; 温度特性; 零点漂移; 灵敏度漂移; 弹性模量

The analysis of t he eff ect on te m perature character istic of pressure transducer

Cheng X ianghua , L i Y anzhong , T an Hongbo

(Schoo l o f Ene rgy and P owe r Enginee ri ng , X ian Jiao t ong U nive rsity , X ian 710049, China )

Ab strac t :The pe rfor m ance of pre ssure transduce r can be aff e cted by te m pera t u re easil y , w hich results i n t he i ncrease o fm easure -m en t erro r . The fac tors of the eff e ct on te m pe ra t ure cha rac t e ristic o f pre ssure trans duce r are ana l y zed in t he pape r by introduction of w ork princ i p l e and struc t u re t heore tica ll y. Temperature -changeable ca li b ra tion s y st em o f pre ssure trans duce r is designed , wh ich ex -p l a i ns the e ffec t of t emperature change t o signal export of pre ssure transducer . The current applica tion and st udy of pressure transducer at l ow t emperature a re a lso recomm ended .

K eyword s :P ress ure transduce r , T e m pe ra t ure cha racte ristic , Z ero drift , Sensiti v ity drift , E l astic m odul us

1　前言

压力传感器作为测试压力参数的主要仪器, 在宇航、航空、石油和化工等部门的生产和科研中都发挥着重要的作用。但是, 一般的压力传感器受温度变化的影响很大, 特别在低温高压环境下, 压力传感器应变材料的电阻率、压阻系数、泊松比及弹性模量等因素都将会发生变化, 直接导致测试结果与实际情况产生极大的差异, 因此普通的压力传感器根本无法准确测量。

目前在低温测试中, 压力测量通常是将被测介质通过导管复热至室温, 再接二次仪表, 然后在室温环境

[1]下对其进行测量。这样不但使得测试系统过于复杂, 而且存在明显的缺陷:(1) 用于液态介质测量时, 因

导出管内存在液柱静压, 会产生误差, 破坏测试环境甚至整个实验。(2) 即使测量气态工质的压力, 也会因引压管的长度产生很大的迟滞误差, 影响压力动态响应速度, 动态测量根本无法进行。而直接使用压力传感器测量低温下的压力, 则传感器受到温度的影响, 增加了附加误差, 使得测量不准确。

拥有当前压力测量器件最先进技术的Ku lite 公司可提供的压力传感器的温度范围为-195. 5℃～+480℃,其中CT -190(M ) 系列小螺纹低温压力传感器和CT -375(M ) 系列小螺纹低温压力传感器的温度范围为-195. 5℃～+120℃。美国PCB 公司生产的压电式压力传感器的温度范围则可达到-270℃～+350℃。但由于这些产品价格昂贵, 难以得到广泛的应用。目前, 国内尚无厂家能够生产在低温下使用的压力传感器。普通压力传感器的温度适用范围一般在-20℃～80℃,最低也不超过-55℃。由于其价格便宜而获得了大量的应用, 不论采用特殊的低温压力传感器, 还是采用普通的压力传感器测量低温下的压力, 都存在大小不等的误差, 现有的温度补偿技术还不能完全消除这个误差。

基金项目:国家985重点学科平台建设项目

收稿日期:2005-09-30

作者简介:程向华, 男, 1978年出生, 博士研究生。主要研究方向为低温测量、低温流动与传热

2　压力传感器的工作原理与分析

常用的应变式压力传感器是基于导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”研制而成的。所谓电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象; 压阻效应则是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时, 其电阻率发生变化的物理现象。一般电阻材料主要有金属材料和半导体材料。通常的扩散硅压力传感器就是利用硅片在外力作用下产生压缩或拉伸时其电阻发生变化的压阻效应原理制成的。它是用集成电路工艺在硅片上制成四个等值扩散电阻组成一个惠斯通电桥。当被测压力作用于硅片上时, 一对桥臂电阻变大, 另一对变小, 电桥失去平衡, 产生电压输出。

对于长为L , 截面半径为r 的导电材料, 其阻值

L 　　　　　　　　R =A (r ) (1)

式中, ρ—导电材料的电阻率; A (r )—截面面积。

当导电材料受到轴向力F 而被拉伸时, 其轴向上被拉长(L →L +dL ), 径向上被压缩(r →r -dr ), 同时电阻率也将发生变化。显然, 导电材料的电阻也随之发生变化, 其阻值相对变化可表示为

-ρL A R

其中, (2) dL =ε为材料的轴向线应变。==-2v , 为材料的径向线应变。由材料力学知L A r r

等于材料的轴向线应变ε与泊松比v 的乘积。这样, 电阻的相对变化可表示为r

(3) 识可知, 径向线应变+ε+2v ε+(1+2v )εR ρρ

对于半导体材料, 其电阻率的相对变化为

=k σ=

k E ερ(4)

图1　6种金属的泊松比　　　　　　　　　　　　　　　　图2　6种金属的弹性模量比

F ig . 1　T e m pera t u re varia tion o f P oisson ' s rati o for six m e t a ls 　　　F i g. 2　Temperature va riati on of e lastic m odu l us f o r si x m eta ls

　　式中, σ—作用于半导体材料的轴向应力; k —半导体材料在受力方向的压阻系数; E —半导体材料的弹性模量。

这样, 对于半导体材料, 其电阻的相对变化为

dR =[(1+2v ) +kE ]εR

对于半导体材料, 一般kE >>(1+2v ), 因此(5) ≈kE ε, 所以半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻R

效应。由以上分析可知, 对于应变式压力传感器, 应变材料的电阻率ρ、压阻系数k 、泊松比v 及弹性模量E 等因素将是影响压力传感器准确测量的直接因素, 而这些因素都是关于温度的函数。特别是在低温、超低温环境下, 这些参数将会发生非常规变化。影响压阻系数k 的主要因素是扩散电阻的表面杂质浓度和温度。随着温度的降低, 压阻系数将会增大。图1和图2分别为几种金属的泊松比v 及弹性模量E 随温度的变化曲线, 由图1和图2可见, 泊松比随温度的降低而减小, 弹性模量随温度的降低而增大。理论研究指出:当温度降低时, 弹性模量呈单调增加, 在较高温区呈线性变化, 在绝对零度时, 其变化率等于零。因此, 随着温度的降低, 应变ε减小, 以上各因素将直接导致了应变式压力传感器输出的不确定性。[2][4]

3　压力传感器低温特性的实验研究

为了通过实验进一步研究压力传感器受温度变化的影响, 我们为此设计了一套压力传感器变温校验系统, 来对压力传感器在低温条件下的性能进行研究与校正。实验系统由氮气瓶、制冷恒温槽、恒温块、

标准压

力表、标准压力传感器、数据采集器、计算机及相应软

件组成。系统流程简图如图3所示。

按不同的功能进行划分, 该实验系统可分为制冷

恒温槽子系统、压力平衡子系统和信号采集子系统三

部分。为了对压力传感器在低温条件下的性能进行研

究, 首先选取HQW -80型制冷恒温槽为其提供一个

恒温且可调的低温环境, 利用制冷系统与电加热系统

的调节达到恒温要求。压力平衡子系统由氮气瓶、恒

温块和连接导管组成。氮气瓶为实验系统提供压力,

根据要求调节输气量以维持恒温块内压力恒定。标准

压力传感器选用CYG -30型高精度固态压阻式压力

传感器来测试系统压力。恒温块内温度选用铂电阻温

度计Pt100来进行测量。其数据采集系统选用

1. 氮气瓶　2. 制冷恒温槽　3. 恒温块　4. 标准温度传感

器　5. 待测试的压力传感器

图3　系统结构简图

F i g . 3　The p i c t u re of syste m struc t ure

表1压力传感器性能指标HP34970A 数据采集开/关单元实现数据采集。表1列出了实验选取的普通型压阻式压力传感器在5℃和-55℃时其性能的变化。结果表明, 温度对压力传感器的影响是非常严重的。随着温度的降低, 仪表的精度降低, 测量误差加剧。图4反映了不同压力下测压误差

同温度变化(偏离室温的程度) 之间

精度

0. 14%

2. 46%变差0. 05%0. 10%Tab . 1　Perfor m ance i ndex of press u re tran s du cer 温度(℃)5. 00-55. 0满程输出线性度重复性88. 256mV /12mA 0. 09%0. 04%86. 448mV /12mA 2. 16%0. 28%的关系, 这个关系同样反映了传感器输出电压受温度的影响情况。由图4可以看出, 直接将该型压力传感器用

于不同低温条件下的压力测量时, 随着温度偏离室温的程度变化, 测压误差变得越来越大, 温度对测量值的影响十分显著; 所测量的压力值越大, 由温度变化所引起的测压误差越小。如果温度变化更大,

这种影响会

更加严重。

4　压力传感器温度特性的研究现状

华中科技大学的郑正泉等曾在1990年对应变式压力传感

器的低温特性进行了研究。实验装置由真空系统、压力源及测试

系统、温度测量与控制系统和压力传感器的信号变换及显示系统

四部分组成。他们通过实验的方法测出了BPR -2/10应变式压力

传感器在77K -300K 温区内的输入—输出特性曲线, 以及电阻随

温度变化的曲线。实验测得, 随着温度的降低, 传感器的输出逐渐

图4　测压误差同温度之间的关系

F ig . 4　The re lation be t w een measure m ent

error and te m pe ra t ure [4]有所减小, 从280K 降到77K , 其输出平均下降了44%,压力传感器的电阻值减少了1. 5%。西安交通大学于1999年开始对普通的压力传感器在低温环境

下的性能进行研究。通过分析在低温下影响压力传感器性能测试准确性的原因, 对常用压阻式压力传感器结构进行了改进, 并对改进后的压力传感器在其使用范围内进行了低温标定, 同时也进行了不同温度下的传感器灵敏度的测试与标定。即通过传感器后盖焊接出一根紫铜管, 将导线从铜管中引出(见图5), 始终保持低压腔与大气压一致。为了确定在不同测试条件下传感器芯片所处的温度, 并将铜-康铜热电偶从铜导管插入, 温感头靠近芯片, 而且设计了如图6所示的测试系统对改进后的压力传感器进行了测试与标定。实验证明, 改进后的压力传感器可以很好的得出不同温度下的零点漂移和灵敏度漂移, 为低温环境下的准确测量提供了很好的参考依据。

孙淑凤[6][5]等在2001年对低温环境下压力传感器的性能也进行了实验研究。他们也采用了如图5、图6相同的改进结构和压力标定系统。实验就温度对改进后的压力传感器零点输出、输出特性和灵敏系数的影响进行了研究。实验证明:

(1) 温度对压力传感器的零点输出有较大影响, 温度越低, 零点输出越小;

(2) 在低温环境下, 改进后的压力传感器输出特性具有良好的线性;

(3) 压力传感器的灵敏系数随温度的升高而减小

。

图5　改进后传感器结构示意图　　　　　　　　　　　　　　图6　压力传感器标定系统图

F ig . 5　S tructure p i c t u re of i m proved p ress u re transducer 　　　F ig . 6　The dem arca tion syste m of pressure transduce r

5　结论

由分析可得, 温度变化严重影响着压力传感器的正常工作。特别是在低温环境下, 普通压力传感器的电阻率、压阻系数、泊松比及弹性模量等因素发生变化, 直接导致传感器电信号不能正确输出。本文通过建立

一套压力传感器变温校验系统, 来对压力传感器在低温条件下的性能进行研究与校正。实验证明, 随着温度偏离室温的程度变化, 测压误差变得越来越大, 温度对测量值的影响十分显著; 所测量的压力值越大, 由温度变化所引起的测压误差越小。如果温度变化更大, 这种影响会更加严重。

随着压力传感器的广泛使用以及特殊环境的需要, 研究并开发适用于低温环境下的压力传感器也必将成为今后压力传感器研究的热点。目前, 对低温下压力传感器的研究已经取得了一定的进展, 但对适用于更低温度下、甚至超低温下的压力传感器的研究将是今后研究的重点问题。

参考文献

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3　苏林. 低温环境下的压力传感器性能测试系统及其数值模拟. 西安交通大学硕士学位论文, 2003. 5

4　郑正泉, 张代光等. 应变式压力传感器的低温特性研究. 低温工程, 1990, (4) .

5　李世刚, 陈流芳等. 低温压力传感器及压力信号的微机动态测试系统. 低温工程, 1999, (1) .

6　孙淑凤, 吴裕远等. 低温下压阻式压力传感器性能的实验研究. 低温与超导, 2001, (3) .

7　施明恒, 薛宗荣. 热工实验的原理与技术. 南京:东南大学出版社, 1992. 1.

(上接第51页后)

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