压力动态绝对校准方法研究

　　国内外用于膛压测试的方法有2种:一是弹性测压法;二是塑性敏感元件法。被广泛使用的是第2种方法。在我国测压铜柱采用的标定体制是静标体制, 静标铜柱在动态压力测量中通常存在5 %~30 %的“静动差”,为了消除“静动差”,测试界在80年代末成功地采用“准动态校准”方法解决了这一问题。准动态校准是用标准的测压仪器和被校准的测压器同 时测定某个瞬变压力的峰值,以此来确定被校测压器的灵敏度。落锤液压动标装置可为此产生脉宽、峰值可调的瞬变压力,其工作原理见图1所示。当重锤自由下落 时,撞击密闭油腔的活塞,形成形如半正弦的压力曲线,在该系统中压力是以参考(标准)传感器为基准,用于幅度及曲线的一致性校准。落锤液压动标装置主要有 以下3个功能:一是传感器特性试验;二是作准静态幅值校准;三是准动态校准。

　　1　问题的提出

　　落锤液压动校装置无论是进行传感器特性试验、准静态幅值校准还是准动态校准,都需要采用性能优秀的高精度压力传感器作为标准测压传感器。到目前 为止,我国自行设计和研制的各类测压传感器远远达不到作为标准传感器的要求,因此一直采用价格昂贵而精度有限的进口压电传感器作为标准测压传感器。如目前 世界上质量、性能最好的Kistler6213B型压电测压传感器,价格大约每只传感器为4万元人民币,其主要性能指标为:量程0~1 000 MPa,校准范围0~900 MPa,部分校准范围为0~1 000 MPa,阈≤0.002 MPa,固有频率>150 kHz;非线性≤0·5 %FSO(对全量程和部分量程),灵敏度温度系数≤0.03 %/℃,灵敏度约为-12 PC/MPa。目前国际上最好的电荷放大器如Kistler 5011B电荷放大器,其主要指标为:量程±(10~999 000) PC,输出±10 V或±50 mA;输入阻抗>1014Ω;频率响应范围≈0~200 kHz;非线性≤0.05 %FSO(量程)。按被校准的测压塑性敏感元件(铜柱、铜球等)的精度为±2 %(按2σ计算),则有校准系统的精度应达到1/3×(2 %)=0.666 %,即其标准偏差≤0.333 %。选用世界上最好的产品组成校准系统的基准精度,其产生误差的主要环节由以下3个方面组成:压电测压传感器、电荷放大器、数据采集系统[1]。

　　(1)传感器的总误差δ1。传感器的分项误差分别是:标定误差±0.1 %,非线性误差±0.5 %FS(满量程)、重复性误差±0.02 %FS,因此有δ1= 0.12+0.52+0.022=0.51 % FS

　　(2)电荷放大器误差δ2。分项误差为:非线性误差±0. 05 % FS,总误差±(0.5~1) %FS,故取δ2≈0.75 %FS(取总误差之中间值)。

　　(3)数据采集系统误差δ3。若选用分辨率为12 bit的数据采集系统,精度为1 LSB,当工作在满量程1/5左右时,有δ3=14096/5=0.12 %。