一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法

1.本发明属于压力传感器计量校准技术领域，特别是涉及一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法。


背景技术：

2.压电式压力传感器在承受静态压力作用时，会出现电荷泄漏现象，因此，无法实施静态校准准确获取压电式压力传感器的灵敏度、线性度、重复性、迟滞和基本误差等工作特性参数。目前，国际上通常采用准静态校准获取压电式压力传感器的幅值特性。所谓准静态校准，是采用落锤式或摆锤式脉冲发生器产生类似于半正弦形的压力脉冲作为压力源，该压力源的有效带宽在1khz范围以内，远低于压力传感器的固有频率(一般为几十khz～几百khz)。
3.现有基于准静态校准的工作特性参数获取方法主要有两种：一种是在被校准压电式压力传感器量程范围内均匀选取若干个压力检定点，在每个压力检定点均开展3～5次独立重复实验，基于脉冲压力幅值进行拟合得到传感器的灵敏度和线性度，该方法每次校准都经历了压力先增加后减小的过程，不可能实施静态校准的那种压力只增不减，或只减不增的操作，导致压力传感器的重复性、迟滞和基本误差无法获取。另一种是参照直接比对式准静态校准原理，在标准压力传感器输出压力脉冲的上升沿均匀地选取若干个压力检测点，在被校准压力传感器输出响应曲线的上升沿获取每个压力检测点对应的校准数据，经多次重复实验，拟合得到被校准压电式压力传感器的灵敏度和线性度，该方法充分利用了压力脉冲的上升沿信息，但是仍然无法评估传感器的重复性、迟滞以及基本误差。
4.经检索，中国专利申请号为2018111548520的申请案公开了一种压电式压力传感器校准方法及装置，该申请案的校准方法包括以下步骤：s1、对标准传感器和待校准传感器施加连续压力；s2、获取标准传感器的第一压力曲线和待校准传感器的第二压力曲线；s3、根据第一压力曲线最大值pmax确定第一压力曲线中10％
·
pmax和90％
·
pmax对应的时间点ta和tb；s4、将ta至tb的时间段等分为n份得到时间点t1～tn
‑
1；s5、在时间点ta、tb、t1～tn
‑
1处根据第一压力曲线压力值和对应的灵敏度以及第二压力曲线压力值计算待校准传感器的灵敏度sca、scb、sc1～scn
‑
1；s6、将灵敏度sca、scb、sc1～scn
‑
1线性化得到待校准传感器的线性误差。采用该申请案的方法能够根据连续压力值进行校准，可以获取待校准传感器的分段灵敏度和线性误差，提高校准效率。该方法也是较充分地利用了压力脉冲的上升沿信息展开校准，因此也无法评定待校准传感器的重复性、迟滞和基本误差。


技术实现要素：

5.1.要解决的问题
6.本发明的目的在于克服采用现有压电式压力传感器的工作特性参数获取方法无法对传感器的重复性、迟滞以及基本误差进行评估的不足，提供了一种实施准静态校准的
压电式压力传感器工作特性参数获取方法。采用本发明的技术方案不仅能够有效获得传感器的灵敏度和线性度，同时还能够实现对压电式压力传感器重复性、迟滞以及基本误差的评定。
7.2.技术方案
8.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
9.本发明的一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法，包括以下步骤：
10.步骤一：在被校准压电式压力传感器的量程上限开展一次准静态校准实验，获取标准压力传感器检测到的参考压力响应曲线和被校准压电式压力传感器检测到的响应曲线；
11.步骤二：在时间轴上平移被校准压电式压力传感器的响应曲线，使被校准压电式压力传感器的响应曲线与参考压力响应曲线的峰值对应起来，消除两条响应曲线之间的相位差；
12.步骤三：在参考压力响应曲线的上升沿，即正行程均匀地选取m个压力检测点，获取这m个压力检测点在被校准压电式压力传感器响应曲线上升沿对应的数据；
13.步骤四：在参考压力响应曲线的下降沿，即反行程选取与步骤三相同的m个压力检测点，获取这m个压力检测点在被校准压电式压力传感器响应曲线下降沿对应的数据；
14.步骤五：重复步骤一～步骤四，在被校准压电式压力传感器的量程上限共开展n次独立重复实验，计算得到各个压力检定点输出的响应电压值的算术平均值
15.步骤六：采用最小二乘方法对由m个压力检测点数据构成的数据集合和步骤五中获得的由构成的数据集合进行拟合，获取被校准压电式压力传感器的工作直线方程y
ls
和灵敏度b；
16.步骤七：获取被校准压电式压力传感器的满量程输出值y
fs
，具体按以下公式进行计算：
17.y
fs
＝｜b(p
max
‑
p
min
)｜
18.其中，p
max
和p
min
分别为测量范围上限压力值和测量范围下限压力值；
19.步骤八：根据以下公式计算得到待校准压电式压力传感器的线性度ε
l
为：
[0020][0021]
上式中，δy
lmax
为各个压力检定点输出值的算术平均值与被校准压电式压力传感器工作直线方程在各个压力检定点计算值y
i
之间偏差δy
li
中绝对值的最大值；
[0022]
步骤九：利用以下公式计算被校准压电式压力传感器的重复性ε
r
：
[0023][0024]
其中s为被校准压电式压力传感器在整个测量范围内的标准偏差；
[0025]
步骤十：利用以下公式计算被校准压电式压力传感器的迟滞ε
h
：
[0026][0027]
式中：｜δy
h
｜
max
为各个压力检定点中，同一个压力检定点正行程输出值的算术平均值与反行程输出值的算术平均值之差δy
hi
中绝对值的最大值；
[0028]
步骤十一：利用以下公式计算被校准压电式压力传感器的基本误差a：
[0029]
a＝
±
(ε
r
+ε
lh
)
[0030]
式中：ε
lh
为被校准压电式压力传感器的系统误差。
[0031]
更进一步的，步骤五中各个压力检定点输出的响应电压值的算术平均值由以下公式计算得到：
[0032][0033]
其中，为n次独立重复实验中各个压力检定点的正行程检定输出值的算术平均值，为各个压力检定点的反行程检定输出值的算数平均值，分别通过以下公式计算得到：
[0034][0035][0036]
y
iij
为被校准压电式压力传感器正行程第i个压力检定点第j次检定输出值，y
dij
为被校准压电式压力传感器反行程第i个压力检定点第j次检定输出值。
[0037]
更进一步的，被校准压电式压力传感器在整个测量范围内的标准偏差s根据下式进行计算：
[0038][0039]
其中，各个压力检定点上正行程子样标准偏差s
ii
和反行程子样标准偏差s
di
分别按下式进行计算：
[0040][0041][0042]
更进一步的，步骤六中被校准压电式压力传感器的工作直线方程y
ls
为：
[0043]
y
ls
＝a+bp
[0044]
式中，截距a、斜率b分别按下式计算：
[0045][0046][0047]
其中，p
i
为第i个压力检测点的压力值，被校准压电式压力传感器的灵敏度即为被校准压电式压力传感器工作直线方程的斜率b。
[0048]
更进一步的，被校准压电式压力传感器的系统误差ε
lh
根据下式进行计算：
[0049][0050]
上式中，｜δy
lh
｜
max
为各个检定点正行程输出值的算术平均值以及反行程输出值的算术平均值与被校准压电式压力传感器工作直线方程在各个压力检定点计算值y
i
之差(δy
lh
)
ii
、(δy
lh
)
di
中绝对值的最大值，其中：
[0051][0052][0053]
更进一步的，步骤九中，被校准压电式压力传感器的重复性ε
r
也可利用下式进行计算：
[0054][0055]
其中s
max
为各个压力检定点上正行程子样标准偏差s
ii
和反行程子样标准偏差s
di
中的最大值，t
0.95
为t分布下95％置信度的包含因子；
[0056]
更进一步的，步骤十一中，基本误差a也可以采用下式进行计算；
[0057][0058]
更进一步的，在步骤三和步骤四中，压力检测点数目m≥6，步骤五中，重复实验次数n≥3。
[0059]
更进一步的，步骤一中，参考压力响应曲线由安装于半正弦压力脉冲发生器造压油缸壁面的标准压力传感器测得，或者由安装于半正弦压力脉冲发生器重锤锤头的高精度力传感器监测到的力曲线，结合重锤锤头力与造压油缸内压力之间的数学模型间接获得；或者由安装于重锤的高精度加速度传感器监测得到的加速度曲线，结合重锤加速度与造压油缸内压力之间的数学模型间接获得；或者由安装于重锤上方垂直方向的激光速度干涉仪监测得到的加速度曲线，结合重锤加速度与造压油缸内压力之间的数学模型间接获得；或者由激光干涉仪监测造压油缸内传压介质部分光程的变化曲线，结合传压介质部分光程与传压介质所受压力之间的数学模型间接获得。
[0060]
更进一步的，步骤六中，采用切线法或端点平移法获取被校准压电式压力传感器工作直线方程的拟合方法。
[0061]
更进一步的，在步骤十一获得被校准压电式压力传感器的基本误差后，根据中华人民共和国压力传感器(静态)检定规程(jjg 860
‑
2015)给出的基本误差和压力传感器准确度等级之间的对应关系，可以确定被校准压电式压力传感器的准确度等级。
[0062]
3.有益效果
[0063]
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0064]
(1)本发明的一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法，通过利用半正弦压力脉冲的上升沿和下降沿分别模拟静态校准的持续增压和减压操作，能够实现准静态校准激励的先持续增加、后持续减小的操作，从而不仅可以获取压电式压力传感器的灵敏度和线性度，还能够实现对压电式压力传感器重复性、迟滞以及基本误差的评定。
[0065]
(2)本发明的一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法，根据中华人民共和国压力传感器(静态)检定规程(jjg 860
‑
2015)给出的基本误差和压力传感器准确度等级之间的对应关系，还可以确定压电式压力传感器的准确度等级。
附图说明
[0066]
图1为本发明地落锤式液压标定装置的工作原理示意图。
[0067]
图2为准静态校准压力传感器典型响应曲线。
[0068]
附图标记：1
‑
被校准压电式压力传感器，2
‑
标准压力传感器1，3
‑
标准压力传感器2，4
‑
传压介质，5
‑
造压油缸，6
‑
精密活塞杆，7
‑
重锤，8
‑
被校准压电式压力传感器1的电压响应曲线，9
‑
参考压力响应曲线。
具体实施方式
[0069]
本发明提供一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法，该获取方法充分利用了半正弦压力脉冲的全部信息，其中利用半正弦压力脉冲的上升沿模拟静态校准的持续增压操作(正行程)，利用半正弦压力脉冲的下降沿模拟静态校准的持续减压操作(反行程)。下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
[0070]
实施例1
[0071]
结合图1和图2，本实施例的一种实施准静态校准的压电式压力传感器工作特性参数获取方法，包括以下步骤：
[0072]
步骤一：以落锤液压标定装置作为半正弦压力脉冲发生器，如图1所示，将kistler公司生产的一只211m0160型压电式压力传感器作为被校准压力传感器1，被校准压力传感器1的量程上限为6.90mpa。标准压力传感器2和3均为瑞士kistler公司生产的4045a100型压阻式压力传感器。被校准压力传感器1、标准压力传感器2、标准压力传感器3均安装于造压油缸5壁面的同一高度上。在被校准压电式压力传感器1的量程上限开展一次撞击试验，重锤7自由落体撞击精密活塞杆6，之后精密活塞杆6挤压传压介质4，待到重锤7的动能全部转化为传压介质4的弹性势能时，传压介质4所受压力达到最大，之后重锤7和精密活塞杆6开始反弹，直到传压介质4的弹性势能回复到零，从撞击开始到传压介质4的弹性势能回复
到零的过程，在造压油缸5内可产生如图2所示的类似于半正弦形的压力脉冲。在图2中，曲线8是被校准压电式压力传感器1检测到的电压响应曲线；曲线9是参考压力响应曲线，它是标准压力传感器2和标准压力传感器3检测到的压力随时间变化曲线平均值。
[0073]
步骤二：在时间轴上平移被校准压电式压力传感器1的电压响应曲线8，使被校准压电式压力传感器1的电压响应曲线8和参考压力响应曲线9的峰值对应起来，消除两条响应曲线之间的相位差；
[0074]
步骤三：在参考压力响应曲线9的上升沿均匀地选取11个压力检测点，这11个压力检测点分别为0mpa、0.69mpa、1.37mpa、2.08mpa、2.77mpa、3.44mpa、4.12mpa、4.83mpa、5.52、6.21mpa和6.90mpa，获取这11个压力检测点在被校准压电式压力传感器1的电压响应曲线8上升沿对应的电压值；
[0075]
步骤四：在参考压力响应曲线9的下降沿选取与步骤三完全相同的11个压力检测点，获取这11个压力检测点在被校准压电式压力传感器电压响应曲线8下降沿对应的电压值；
[0076]
步骤五：重复步骤一～步骤四，在被校准压电式压力传感器1的量程上限共开展4次独立重复试验，4次试验获得的被校准压电式压力传感器1在上升沿(正行程)和下降沿(反行程)11个压力检测点的响应电压值如表1所示。
[0077]
11个压力检定点正行程检定输出值的算术平均值和反行程检定输出值的算术平均值分别按公式(1)、(2)计算：
[0078][0079][0080]
y
iij
为被校准压电式压力传感器1正行程第i个压力检定点第j次检定输出值；
[0081]
y
dij
为被校准压电式压力传感器1反行程第i个压力检定点第j次检定输出值。
[0082]
表1被校准压电式压力传感器1正、反行程的电压响应数据
[0083]
[0084]
各个压力检测点输出值的算数平均值可由公式(3)计算：
[0085][0086]
步骤六：结合表1中校准数据，采用最小二乘法对由11个压力检测点数据构成的数据集合和由构成的数据集合进行拟合，获得的被校准压电式压力传感器1的最小二乘直线方程y
ls
如公式(4)所示：
[0087]
y
ls
＝0.7372p+0.0107
ꢀꢀ
(4)
[0088]
其中，被校准压电式压力传感器1的灵敏度b＝0.7372v/mpa，相关系数为1.0000，剩余标准差为0.0055v。
[0089]
步骤七：获取被校准压电式压力传感器1的满量程输出值，被校准压电式压力传感器1的满量程输出值y
fs
按公式(5)计算：
[0090]
y
fs
＝｜b(p
max
‑
p
min
)｜
ꢀꢀ
(5)
[0091]
测量范围上限压力值p
max
＝6.9mpa，测量范围下限压力值p
min
＝0mpa，结合计算得到的被校准压电式压力传感器1的灵敏度，可由公式(22)计算得到被校准压电式压力传感器1的满量程输出5.09v。
[0092]
步骤八：根据表1中数据和公式(4)，可按公式(6)计算得到各个压力检定点输出值的算术平均值与被校准压电式压力传感器工作直线方程在各个压力检定点计算值y
i
的差值δy
li
：
[0093][0094]
差值δy
li
中绝对值的最大值δy
lmax
＝0.0107v。
[0095]
按公式(7)可计算得到被校准压电式压力传感器1的线性度ε
l
：
[0096][0097]
步骤九：计算被校准压电式压力传感器1的重复性ε
r
。
[0098]
结合表1中数据，分别按公式(8)、(9)计算被校准压电式压力传感器1在各检定点上正行程子样标准偏差s
ii
和反行程子样标准偏差s
di
。
[0099][0100][0101]
按公式(10)计算被校准压电式压力传感器1在整个测量范围内的标准偏差s：
[0102][0103]
被校准压电式压力传感器1的重复性ε
r
可按照公式(11)进行计算：
[0104]
[0105]
步骤十：按公式(12)计算各检定点中，同一个压力检定点正行程输出值的算术平均值与反行程输出值的算术平均值之差δy
hi
：
[0106][0107]
将表1中有关数据代入公式(12)，可计算得到差值δy
hi
中绝对值的最大值｜δy
h
｜
max
＝0.03v。按公式(13)可计算得到被校准压电式压力传感器1的迟滞ε
h
：
[0108][0109]
步骤十一：结合表1中有关数据，按公式(14)计算各个检定点正行程输出值的算术平均值与被校准压电式压力传感器工作直线方程在各个压力检定点计算值y
i
(根据公式(4)计算得到)之差(δy
lh
)
ii
：
[0110][0111]
按公式(15)计算各个检定点反行程输出值的算术平均值与被校准压电式压力传感器工作直线方程在各个压力检定点计算值y
i
之差(δy
lh
)
di
：
[0112][0113]
(14)和(15)两式计算结果数据中绝对值的最大值｜δy
lh
｜
max
＝0.018v，系统误差ε
lh
可按公式(16)计算：
[0114][0115]
被校准压电式压力传感器1的基本误差a可利用公式(17)计算：
[0116]
a＝
±
(ε
r
+ε
lh
)＝
±
(0.09％+0.35％)＝
±
0.44％
ꢀꢀ
(17)
[0117]
进一步地，根据中华人民共和国压力传感器(静态)检定规程(jjg 860
‑
2015)给出的基本误差和压力传感器准确度等级之间的对应关系，可以确定本实施例被校准的kistler公司211m0160型压电式压力传感器的准确度等级为0.5级。