一种用于小型压力传感器的动态校准装置

摘要

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种小型压力传感器动态校准装置，它由动态压力发生器、协调控制系统、液压系统和温度箱组成。液压系统为装置提供压力源，动态压力发生器通过控制自身压力调节盘转动速度改变其出油口面积，使腔内形成周期性变化的调频压力；温度箱设定被校准压力传感器工作时所有温度环境，用于校准不同压力条件下的温漂；动态压力发生器通过其压力传导活塞将调频压力传导给传感器，相应产生的传感器信号被传递给协调控制系统比较，处理后获得不同温度条件下被测压力传感器的幅频和相频特性曲线；装置可连续提供不同频率压力，实现不同温度条件下压力传感器频率特性动态校准的目的。

说明书

技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及一种小型压力传感器动态校准装置，可用于大批量 小型压力传感器的辅助制造与精度校准。

背景技术

压力（压强）是科学技术、工业控制、航空航天、生物医学工程等领域中使用最广泛的 物理参数之一，而作为感知压力（压强）的压力传感器也是使用最为广泛的一种传感器。压 力传感器不但应用于基础生产领域，而且广泛用于飞机、卫星、火箭发动机控制系统和工业 控制系统等高科技复杂系统中，以飞机为例，几乎每架现代飞机都需装备上千个高精度压力 传感器。动态压力校准装置是与压力传感器相关的关键设备，压力传感器的制造（特别是高 精度的压力传感器）需要有高精度、高效率的动态校准装置辅助；另外在用压力传感器，为 了保证仪器的准确、可靠以及压力测量的准确性，必须借助压力校准装置定期对传感器进行 精度校准。

关于传感器的校准国内已有一些成熟装置，如专利“压力传感器检测装置（申请号： 201020539084.3）”提出一种压力传感器检测装置，该装置仅能用于摩托车进气管压力传感器 校准，量程较小；专利“一种压力传感器检测装置（申请号201120252650.7）”存在校准精度 不高，另外难以实现动态校准，校准效率低下。总的来说，目前国内自主研发的压力校准系 统在精度，量程、稳定性等指标方面相对落后于国外产品，因此研制具有自主知识产权的高 性能标准压力校准系统具有实际意义。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种量程大、效率高的动态压力 校准装置，满足大批量小型压力传感器制造与精度校准需求。

本发明的技术方案为：一种用于小型压力传感器的动态校准装置，由动态压力发生器、 协调控制系统、液压系统和温度箱组成。各个组成部分的位置和连接关系为：液压系统依据 被校准压力传感器需校准的压力范围，为动态压力发生器供应压力油；动态压力发生器获得 压力油后通过控制压力调节盘转动速度，使腔内形成周期性变化的调频压力；温度箱为固定 在其内部的标准压力传感器和被校准压力传感器提供需求的恒温环境，校准不同压力条件下 的温漂；动态压力发生器的压力传导活塞细端通过温度箱的导通孔穿入温度箱内，将腔内调 频压力传导给标准压力传感器和被校准压力传感器，两个传感器的信号被传递给协调控制系 统进行分析比较分析，处理后获得不同温度条件下被测压力传感器的幅频特性和相频特性曲 线；协调控制系统同时依据标准压力传感器数据向液压系统发出压力信号、温度箱箱内的温 度反馈信号，控制液压系统向动态压力发生器的供油量和油压、调整温度箱的温度。

所述的动态压力发生器为本装置的关键部分，由压力腔、压力传递塞、活塞端盖、伺服 电机和压力调节盘组成。液压系统的压力流入油压力腔，在油压力腔内形成和液压系统设定 压力相同的压力油汇聚区，推动压力传递塞运动往活塞端盖方向微小移动；压力传递塞细端 通过活塞端盖的小孔穿出，将腔内的压力传递出去；同时伺服电机带动压力调节盘转动，通 过改变压力腔下部出油口面积进而改变压力腔内的液压油质量，液压油质量变化会使压力腔 里的压力变化，进而会导致控制压力传递塞所传递力的变化。

所述的液压系统负责向动态压力发生器提供由协调控制系统设定的压力油，由液压站、 压力监视与控制系统和调压系统组成。液压站为压力油油源，压力监视与控制系统负责输入 油压的控制与监视接收来自协调控制系统信号，让液压系统按照设定油压提供压力油；调压 系统实现液压系统输出油压的精细调节，向动态压力发生器提供稳定、校准的压力油。

所述的协调控制系统，包含FPGA控制器、电机控制器和各种控制反馈回路组成。它负 责向压力监视与控制系统、温度箱1、被校传感器温度箱和电机控制器发出控制信号并接收 它们的反馈信号，设定和稳定液压系统的供油量和油压、温度箱温度，控制电机转速或转动 角度，调节从压力调节盘泻出的压力油；接收来自于标准压力传感器和被校准压力传感器的 输出信号，处理后获得不同温度条件下被测压力传感器的幅频特性和相频特性曲线。

所述的温度箱有两个，其内分别安装标准压力传感器和被校准压力传感器，两个温度箱 箱体均有一面有孔，以便压力传递塞细端深入箱内顶住传感器受力面；温度箱设定被校准压 力传感器工作时所有温度环境，两个温度箱来接收自于协调控制系统的温度控制信号并实时 反馈箱内温度，为装置校准传感器温度条件性能变化提供支持。

本发明的优点是：

本装置可以快速地产生稳定标准压力和周期性变化的压力，工作压力适用范围0～60MPa， 同时还能提供40～300℃的温度环境，能最大程度的模拟传感器工作环境；通过调节压力调节 盘转动速度，装置可以提供不同变化频率的压力源，频率范围为(0.1～6500)Hz，克服了现有 正弦压力校准装置每次只可提供单一频率点检测的缺陷，实现压力传感器频率特性连续校准 的目的，校准效率高。

附图说明

图1为动态校准装置结构框图；

图2为动态压力发生器与温度箱；

图3为动态压力发生器A-A剖视图；

图4为压力腔剖视图；

图5为压力传递塞；

图6为活塞腔端盖；

图7为压力调节盘

图中符号说明如下：

1—动态压力发生器；2—协调控制系统；3—液压系统；4—温度箱

101—压力传递塞；102—压力腔；103—活塞腔端盖；104—伺服电机；105—压力调节盘

201—FPGA控制器；202—电机控制器

301—液压站；302—压力监视与控制系统；303—调压系统

401—标压传感器温度箱；402—被校传感器温度箱

具体实施方式

下面结合附图对于本发明的技术方案进行详细说明：

一种用于小型压力传感器的动态校准装置，由动态压力发生器1、协调控制系统2、液压 系统3和温度箱4组成。如图1所示，所述的液压系统3负责向动态压力发生器1提供由协 调控制系统2设定的压力油，其由液压站301、压力监视与控制系统302和调压系统303组 成。液压站301供应油源，压力监视与控制系统302负责接收来自协调控制系统2信号，实 现输入压力的控制与监视，调压系统303实现液压系统3输出油压的精细调节，向动态压力 发生器1提供稳定、标准的压力油。

如图1所示，所述的协调控制系统2，包含FPGA控制器201、电机控制器202和各种控 制反馈回路组成。FPGA控制器201负责向压力监视与控制系统302、标压传感器温度箱401、 被校传感器温度箱402和电机控制器202发出控制信号并接收它们的反馈信号，设定和调节 液压系统3的供油量和油压、温度箱温度，控制伺服电机104转速或转动角度；接收来自于 标准压力传感器和被校准压力传感器的输出信号，处理后获得不同温度条件下被测压力传感 器的幅频特性和相频特性曲线。

图1中所示的标压传感器温度箱401和被校传感器温度箱402，其内安装标准压力传感 器和被校准压力传感器，两个温度箱箱体均有一面有孔，以便压力传递塞101细端深入箱内 顶住传感器受力面；两个温度箱设定被校准压力传感器工作时所有温度环境，并接收自于协 调控制系统2的温度控制信号并实时反馈箱内温度，为装置校准传感器温度条件性能变化提 供支持。

如图2所示，所述的动态压力发生器1为本装置的关键部分，由压力传递塞101、压力 腔102、活塞端盖103、伺服电机104和压力调节盘105组成。如图3所示，液压系统3的压 力油流入压力腔102，在压力腔102内形成压力油汇聚区，推动压力传递塞101运动往活塞 端盖103方向微小移动；压力传递塞101经过活塞端盖的小孔穿出，将腔内的压力作用在标 准压力传感器和被校准压力传感器上；伺服电机104带动压力调节盘105转动，通过排放油 压力腔102内的压力油来控制油压力腔102压力变化；动态压力发生器1输出压力的变化是 靠周期性地改变其下部出油口面积，进而改变压力腔102内的液压油质量形成的，下部出油 口面积的改变则是通过伺服电机104带动压力调节盘105转动来实现；当压力调节盘105以 恒定速度转动时，压力腔102下部出油口开启和关闭的面积按周期性规律变化，排出压力腔 102的液压油质量就按周期性规律变化，压力腔102里的压力就按周期性规律变化，压力传 递塞101输出力也就按周期性规律变化；压力变化频率取决于压力调节盘旋转速度，当压力 调节盘105的转动速度发生变化时，压力腔102里的周期性压力的频率随之发生变化，压力 传递塞101输出力的频率也随之发生变化；当压力调节盘的转动速度线性增加时，气室里的 周期性压力的频率随之线性增加，压力传递塞101输出力的频率也随之线性增加；

如图4所示，所述的压力腔102外形如两个倒扣的圆锥形，其有上部进油口、中部空腔、 左右两个活塞腔和下部出油口组成。上部进油口与液压系统的供油管相连接，压力油由此口 进入中部空腔，充满中部空腔的压力油同时也填满左右两个活塞腔，推动两个压力传递塞101 分别沿着左右活塞腔运动，由于液压系统的压力油是源源不断供应的，中部空腔多余的则从 下部出油口流出；进油口与出油口直径与中部空腔直径比应该大于1/5，使进油或排油时压力 腔内油压迅速变化。

如图5所示，所述的压力传递塞101一端粗另一端细，数量为两个，分别安装于动态压 力发生器的左右活塞腔内；装置工作时，动态压力发生器内压力油作用于压力传递塞101粗 端底部，推动两个压力传递塞101分别左右微量移动；压力传递塞101细的一端，分别深入 标压传感器温度箱401和被校传感器温度箱402内，顶住校准传感器和标准压力传感器的受 力面，将压力腔102内液压油的产生的调频压力传导至传感器，动态压力发生器1内的压力 成为校准传感器的压力源。

如图6所示，所述的活塞腔端盖103大端有通孔，小端有螺纹，数量为两个；大端通孔 用于安装压力传递塞101细端，小端与压力腔102活塞腔螺纹配合，形成密封，防止左右活 塞腔内压力油渗出。

如图7所示，所述的压力调节盘105为圆盘状，圆盘有半边空缺，圆盘中部为连接轴； 连接轴与伺服电机104输出轴相连，电机控制器202向伺服电机104发出控制信号时，伺服 电机104带动压力调节盘105转动；装置安装时，压力腔102出油口至连接轴距离应等于圆 盘空缺至其连接轴，当压力调节盘105空缺旋转至压力腔出油口时，压力腔102内的压力油 从出油口流出，使腔内压力突然减小，当转过压力调节盘105的空缺时，出油口被圆盘堵住 致使压力油无法泻出，内部压力迅速升回至液压系统3设置水平，这样也就使压力传递塞101 输出周期性变化的调频压力。

上述本发明所用的伺服电机104、液压站301和调压系统303均为成熟设备，可按需要 选购。