[科普中國]-振筒式氣壓傳感器

振筒式氣壓傳感器是一種新型的氣壓感應元件。它由兩個同軸的一端密封的圓筒組成。一個是內振筒，一個是外保護筒。1

結構和原理振筒式氣壓傳感器是一種新型的氣壓感應元件。它由兩個同軸的一端密封的圓筒組成。一個是內振筒，一個是外保護筒。內振筒一般采用鎳基恒彈合金。外保護筒一般用不銹鋼制成。這兩個筒的一端固定在公共基座上，另一端為自由端。線圈架安裝在基座上，并位于圓筒的中央。線圈架上有激振線圈，它用于激勵內振筒;線圈架上另有拾振線圈，它用于檢測內振筒的振動頻率。內振動筒和外保護筒之間的空間被抽空作為絕對壓力的標準。內振動筒和線圈架之間的空間與被測氣體相通。

對于大多數振筒的幾何尺寸來說，軸向半波數m=1，周向波數n=3或4的模式具有最低的固有頻率和最大振幅，并且容易激振。對稱模式最穩(wěn)定，對測量有利。所以m=I，n二4的振動模式，多用來作為氣壓傳感器的工作模式。由于波型的對稱性，使得傳感器經得起大加速度位移而不致于損失任何磁性性能。

拾振線圈在線圈架中安裝成與激振線圈相垂直，這樣可避免兩個線圈的互相規(guī)合。這種空間位置和相位關系有助于振筒以四瓣對稱波型起振，波節(jié)的對稱性也對濾掉外來的干擾有益。

激振線圈、拾振線圈和機械共振的內振筒由通過導線的電流和由磁力線所產生的力相互聯系著，構成為閉環(huán)控制電路。

空氣引入線圈架和振筒之間的空腔，筒壁由作用在筒內表面的壓力所張緊，這個張力使筒的固有頻率隨壓力的增加而增加。當機械頻率增加時，拾振線圈直接檢測出頻率增量，并立即將這個信息轉送到放大器和限幅器。該新的頻率和新的極限電壓又反饋到激振線圈，產生一個增強了的、并以適當頻率脈動的力。

傳感器在零壓力點有一個固有頻率的選擇原則是:對于氣壓傳感器而言，要盡可能使頻率高些，這樣可以使方程的二次項占的比例明顯減小，有利于線性化。

主要性能分辨率為了提高分辨率，一般的變換方法是打開一個邏輯門，讓一個精密的高頻時鐘脈沖通過，并用計數器按二進制來積累通過門的時鐘脈沖。時鐘門最初是在傳感器一個輸出矩形波的起點被打開，而在傳感器后一個輸出矩形波的起點被關閉。固定頻率的時鐘脈沖數隨后在傳感器一個輸出周波的時間內被積累在計數器內。若用28=64個傳感器的周波數來控制，而時鐘為15兆赫時，分辨率將為1/213312或土0.0005%。

阻尼振筒式氣壓傳感器，由于沒有支承點的摩擦，因此具有低的阻尼，諧振響應曲線很“陡”。由于低阻尼，它的品質因數Q值在5000以上。

重復性和遲滯振筒式氣壓傳感器重復性好和遲滯低。其所以遲滯低主要是因為它沒有支承點的摩擦和元件本身的永久變形。而且內振筒焊接在外保護筒的較重的環(huán)形基座上，該組件又夾緊在傳感器基座上，因而不存在相對運動。而振筒所受的應力只要在材料的彈性極限以內，元件就不會有永久性變形。兩項的全部影響不大于傳感器所測壓力“滿刻度”的±0.0001%。

長期穩(wěn)定性振筒式氣壓傳感器的長期穩(wěn)定性好。一年的長期穩(wěn)定性，2σ(σ為均方誤差)為“滿刻度”的±0.006%。影響它的長期穩(wěn)定性的因素是：內外筒之間的標準真空(標準真空度為10-6毫米汞高)的電子束焊處的多孔性，其次是材料的多孔性。

溫度影響溫度既影響振筒的彈性常數，又影響與振筒相接觸的氣體密度。前者的溫度系數在百萬分之幾以內，可以認為是零。

一種較好的溫度補償方法是用一個加熱線圈放人線圈架和用一個簡單的比例閉環(huán)控制系統(tǒng)去控制內部結構和氣體的溫度。經溫度補償后，若恒溫點在710C，則在“滿刻度”點上的誤差為士0.001%。1

誤差修正振筒式氣壓傳感器工作在不同的環(huán)境溫度條件下，隨著環(huán)境溫度的變化，其測量誤差也會不同。為了提高測量精度，必須對振動筒式壓力傳感器的溫度誤差進行修正。在壓力傳感器的底座內安置了一個二極管，利用二極管的正向電壓隨溫度變化的特性來檢測傳感器的工作溫度。雖然不同的振動筒式壓力傳感器的溫度特性存在差異，但就某一具體傳感器而言， 其溫度特性是確定的。在飛機上專用的計算機中，存儲了振動筒式壓力傳感器的溫度特性數據，根據環(huán)境溫度的大小，可有效地對溫度誤差進行修正，以達到提高測量精度的目的。溫度測量電路的輸出電壓經過A/D 轉換。變成數字量后， 由單片機結合溫度特性數據對傳感器輸出的頻率量實施修正，從而消除溫度誤差。

本詞條內容貢獻者為:

郭亮 - 副教授 - 中國海洋大學