压力传感器的校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其涉及一种压力传感器的校准装置及校准方法。

背景技术

缸内压力变化曲线是发动机燃烧过程的直接反映，缸压信号是评估发动机燃烧状态的核心参数之一，其各项性能指标的优劣直接影响对发动机燃烧状态的评价。对缸内压力信号进行分析处理，可得到燃烧始点、峰值压力及其出现时刻、最大压升率及其出现时刻等燃烧特征参数，这些性能指标能够为缸内燃烧状态的评价提供依据。

缸压信号通过缸压传感器获得，缸压传感器要求有较高的动态响应特性才能实时反映发动机缸内的燃烧情况，且其应用环境伴随着高温、冲击、震动等，对传感器的耐温性、动态响应性、宽范围的线性、过压承载能力、蠕变性等都有着极高的要求。目前，用于测量缸压较为常见的传感器是压电式压力传感器，压电式压力传感器是利用石英晶体的压电效应将石英晶体受到的变化力转换成电荷量输出，通过转换计算得出压力测试值的大小，但当石英晶体受到不变的力时，将没有电荷量输出，该类型传感器无静态输出的特点与常规的压力传感器工作特点有显著不同，因此，其校准原理也与目前常规的压力传感器校准有较大区别。

发明内容

本发明的目的是提供一种压力传感器校准装置。

本发明的另一目的是提供一种压力传感器校准方法。

根据本发明一方面的一种压力传感器校准装置，包括：压力件，具有标准传感器安装位置，能够安装标准传感器；腔室，具有待校准传感器安装位置，能够安装待校准传感器；所述腔室提供容纳具有测试温度的介质的容纳空间，所述容纳空间通过第一管路与所述压力件连通，所述压力件能够对所述介质加载测试压力；准静态电荷放大器，其输入端分别用于连接所述标准传感器、所述待校准传感器，输出端用于输出经过信号放大的所述标准传感器、所述待校准传感器的电信号。

本申请的技术方案通过设置压力件采用准静态连续加载模式对介质快速加载测试压力，使得可以采用准静态电荷放大器对传感器进行校准检测，准静态是介于静态与动态之间的一种状态，既具有静态的平衡状态又可使传感器产生在动态下才会发生的电荷输出，解决了压电式压力传感器静态下无输出的问题，且装置结构简易，大大降低了校准成本。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，所述校准装置还包括液位显示件，其一端与所述容纳空间连通，另一端与外界通过第一阀连通。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，所述校准装置还包括安装座，所述安装座用于在其上安装所述压力件，使得所述标准传感器安装位置与所述待校准传感器安装位置位于同一水平面。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，所述校准装置还包括温度控制组件，包括温度传感器、温度控制单元以及加热件，所述温度传感器、加热件分别电连接所述温度控制单元，所述温度传感器、所述加热件设置于所述容纳空间，分别用于感测所述介质的温度、加热所述介质至所述测试温度。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，温度控制组件还包括冷却件，所述冷却件电连接所述温度控制单元，所述冷却件设置于所述容纳空间，用于冷却所述介质。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，所述加热件包括电阻丝，该电阻丝均匀地分部于所述容纳空间；和/或所述冷却件包括涡流管组件。

在所述的压力传感器校准装置的一个或多个实施例中，所述校准装置还包括介质循环件，所述介质循环件的输入端通过第二管路以及第二阀连通所述容纳空间，输出端通过第三管路以及第三阀连通所述容纳空间。

根据本发明另一方面的一种压力传感器校准方法，采用如上所述的压力传感器校准装置，所述校准方法包括：所述标准传感器被安装于所述压力件的标准传感器安装位置，所述待校准传感器被安装于所述腔室的待校准传感器安装位置；所述介质被加入至所述腔室的容纳空间以及与所述容纳空间连通的压力件，所述介质在所述容纳空间以及所述压力件的液位一致，所述介质处于测试温度；所述介质被所述压力件连续加载压力至测试压力，加载压力过程的加载时间t与所述准静态电荷放大器的时间常数τ的关系为t<τ/1000；所述标准传感器以及所述待校准传感器的压力信号经过所述准静态电荷放大器输出被计算，得到所述待校准传感器的校准结果。

在权利要求所述的校准方法的一个或多个实施例中，所述介质具有测试温度的步骤包括：所述介质为初始温度被加入至所述腔室的容纳空间以及与所述容纳空间连通的压力件；所述介质被加热，并且被所述压力件多次加载以排除加热的所述介质的气泡，液位显示件的第一阀打开，以使得所述气泡排出至外界，直至所述介质具有测试温度后，关闭所述第一阀。

在权利要求所述的校准方法的一个或多个实施例中，得到所述待校准传感器的校准结果的步骤包括：所述标准传感器的压力曲线被根据时间划分为多个时间点，根据每个时间点的所述标准传感器的压力测试值和灵敏度、以及所述待校准传感器的压力测试值，得到所述待校准传感器的灵敏度；通过将所述待校准传感器的灵敏度进行线性化拟合，得到所述待校准传感器的灵敏度和线性工作直线，该工作直线对应的线性度偏差为所述标准传感器的压力曲线与所述待校准传感器的最大偏差。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，需要注意的是，这些附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1为一实施例的压力传感器校准装置的结构示意图；

图2为一实施例的压力传感器校准方法的流程图；

图3为另一实施例的压力传感器校准方法的流程图；

图4为又一实施例的压力传感器校准方法的流程图；

图5为再一实施例的压力传感器校准方法的流程图。

附图标记：

100-压力传感器校准装置，200-标准传感器，300-待校准传感器，400-工作台；

1-压力件；

11-标准传感器安装位置，12-待校准传感器安装位置；

2-腔室，21-容纳空间；

3-介质；

41-第一管路，42-第二管路，43-第三管路；

5-准静态电荷放大器，51-输入端，52-输出端，50-数据采集系统；

6-液位显示件；

71-第一阀，72-第二阀，73-第三阀；

8-安装座；

9-温度控制组件，91-温度传感器，92-温度控制单元，93-加热件，930-电阻丝，931-电阻丝加热装置，94-冷却件，940-涡流管组件，941-冷却管路；

10-介质循环件。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的各个实施方案，这些实施方案的实例被显示在附图中并描述如下。尽管本发明将与示例性实施方案相结合进行描述，但是应当意识到，本说明书并非旨在将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以被包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种选择形式、修改形式、等效形式及其它实施方案。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”和/或“一实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的实施例的系统所执行的操作。应当理解的是，前面或下面操作不一定按照顺序来精确地执行。也可以将其他操作添加到这些过程中，或从这些过程移除某一步或数步操作。

目前，随着对压电式传感器的校准要求日益提高，需要进一步改善校准装置。

本申请的发明人经过深入研究发现，对于压电式动态压力传感器的校准装置有多种，如激波管、落锤装置、正弦压力发生器、活塞式压力计等，但激波管、落锤装置、正弦压力发生器等装置价格昂贵，校准成本极高；而活塞式压力计适用于静态参数的校准，对于无静态输出、需在动态下才有输出的压电式压力传感器使用困难。另外，针对缸压传感器所处的高温环境需求，常用的校准装置也无法满足要求。目前已开展对于高温高压校准装置的研究，为实现校准所用的高温环境，有的设计将整个校准装置放入恒温槽中，或者只加热压电式压力传感器的局部敏感元件，以上方式大多存在校准环境与压电式压力传感器实际工作环境不符的问题，且加压工作原理基本为静态加压，不能适用于作为缸压传感器的压电式压力传感器的校准，同时大多研究还存在校准装置通道少、校准温度范围小、装置冷却速度慢等缺点，不能满足大量且快速校准传感器的工作需求。

基于以上考虑，发明人经过深入研究，设计了一种压力传感器校准装置，通过设置压力件采用准静态连续加载模式对介质快速加载测试压力，使得可以采用准静态电荷放大器对传感器进行校准检测，准静态是介于静态与动态之间的一种状态，既具有静态的平衡状态又可使传感器产生在动态下才会发生的电荷输出，解决了压电式压力传感器静态下无输出的问题，且装置结构简易，大大降低了校准成本。

另外，校准装置可快速升温，模拟出传感器实际工作的高温环境，使校准结果更加准确。

虽然本申请实施例公开的压力传感器校准装置以作为内燃机气缸缸压传感器的压电式压力传感器为例，以达到通过简单低成本的装置实现对传感器工作环境的准确模拟、以及满足大量快速校准需求。但不以此为限，例如还可以用于其它无静态输出类型的传感器，甚至常规的压力传感器，只要是可以应用本申请实施例公开的压力传感器校准装置即可。

参考图1所示，在一个实施例中，压力传感器校准装置100的具体结构可以是，包括压力件1、腔室2及准静态电荷放大器5。压力件1具有标准传感器安装位置11，能够安装标准传感器200。腔室2具有待校准传感器安装位置12，能够安装待校准传感器300。腔室2提供容纳具有测试温度的介质3的容纳空间21，容纳空间21通过第一管路41与压力件1连通，压力件1能够对介质3加载测试压力。准静态电荷放大器5的输入端51分别用于连接标准传感器200、待校准传感器300，输出端52用于输出经过信号放大的标准传感器200、待校准传感器300的电信号。

此处的“压力件1”具体可以是手摇加压泵，亦可以是电动加压泵，在准静态连续加载模式下产生预定的压力值，准静态连续加载模式是使被加压件从一个平衡状态向另一个平衡状态变化时经历一连串无限临近平衡的状态，其过程是被加压件的系统平衡被破坏的结果。压力件1的加载时间一般越短越好，但由于是对具有一定密度的介质进行加压，必然是需要一定加载时间，压力件1的加载时间t一般需要远小于准静态电荷放大器5的时间常数τ，例如是t<τ/1000。

此处的“标准传感器200”的含义是指作为参考标准的传感器，反映校准装置100的工作压力，即压力件1产生的预定压力值。

此处的“标准传感器安装位置11、待校准传感器安装位置12”具体可以是例如螺纹孔，与传感器通过螺纹连接，但不以此为限。

此处的“介质3”一般为液体，例如耐高温的油，例如油浴锅中常用的二甲基硅油。待校准传感器300的敏感元件处于介质3中，介质3提供测试温度、测试压力的环境。

此处的“第一管路41”的含义与本领域的含义类似，即中空的管件，压力件1通过第一管路41与标准传感器200及容纳空间21连通，使介质3充满第一管路41，压力件1与容纳空间21的液位保持一致，标准传感器200通过第一管路41处于介质3中，介质3提供测试温度、测试压力的环境，即介质3既作为提供测试温度的温度介质，也同时作为提供压力的压力介质。

此处的“准静态电荷放大器5”是指可对压力传感器进行准静态检测的电荷放大器，用于将标准传感器200及待校准传感器300的电荷量转换为标准电学信号，其时间常数可调，并可设定为100000s以上。准静态的检测同上“准静态连续加载模式”的准静态，都涉及准静态过程，即系统从一个平衡状态连续经过无数个中间的平衡状态过渡到另一个平衡状态，在此过程中系统偏离平衡状态无限小并且随时恢复平衡状态，整个过程均匀缓慢且无任何突变，这样的过程称为准静态过程。

本实施例的有益效果在于，通过设置压力件采用准静态连续加载模式对介质快速加载测试压力，使得可以采用准静态电荷放大器对传感器进行校准检测，准静态是介于静态与动态之间的一种状态，既具有静态的平衡状态又可使传感器产生在动态下才会发生的电荷输出，解决了压电式压力传感器静态下无输出的问题，且装置结构简易，大大降低了校准成本。并且，校准装置可以同时对多个待校准传感器进行校准，测试效率高。

在一些实施例中，如图1所示，准静态电荷放大器5的输出端52连接数据采集系统50，用于采集标准传感器200和待校准传感器300的压力曲线，通过算法计算出待校准传感器300的线性度、灵敏度等性能指标。

继续参考图1所示，在一些实施例中，校准装置100的具体结构可以是，还包括液位显示件6，其一端与容纳空间21连通，另一端与外界通过第一阀71连通。此处的“液位显示件6”可以为液位显示管，该部件采用透明材料制成，例如玻璃，其可显示容纳空间21内介质3耐高温油的液位，并且具有排出介质3中空气的作用，打开第一阀71即可将介质3中的空气排出到外界，在校准工作开始时需关闭第一阀71，以保证介质3的迅速到达测试压力和/或测试温度。

继续参考图1所示，在一些实施例中，校准装置100的具体结构可以是，还包括安装座8，安装座8用于在其上安装压力件1，使得标准传感器安装位置11与待校准传感器安装位置12位于同一水平面。如此设置的有益效果在于，在压力件与容纳空间的液位一致的情况下，保证标准传感器与待校准传感器位于介质3中的深度一致，使校准结果更加准确。

继续参考图1所示，在一些实施例中，校准装置100的具体结构可以是，还包括温度控制组件9，包括温度传感器91、温度控制单元92以及加热件93，温度传感器91、加热件93分别电连接温度控制单元92，温度传感器91、加热件93设置于容纳空间21，分别用于感测介质3的温度、加热介质3至测试温度。具体的，温度控制单元92可采用PID控制系统，根据要求设置测试温度值，温度传感器91将介质3的温度值实时反馈给温度控制单元92，作为PID控制的反馈信号，在系统界面上实时显示当前温度值，自动控制加热件93的开启及关闭，将介质3加热到预定的测量温度。如此设置的有益效果在于，校准装置可快速升温，模拟出传感器实际工作的高温环境，使校准结果更加准确。

继续参考图1所示，在一些实施例中，温度控制组件9的具体结构可以是，还包括冷却件94，冷却件94电连接温度控制单元92，冷却件94设置于容纳空间21，用于冷却介质3。具体的，温度控制单元92根据温度传感器91的反馈信号，实时自动控制冷却件94的开启及关闭。冷却件94包括环绕腔室2的多组冷却管路941，图1中因视角所限，仅示出1条冷却管路941。如此设置的有益效果在于，校准装置可快速升温、快速降温，如此可以在一组的待校准传感器300测试结束后，快速降温至预定温度，从而拆除测试完毕的待校准传感器300以及更换上新一组的待校准传感器300，测试效率高。

继续参考图1所示，在一些实施例中，温度控制组件9的具体结构可以是，加热件93包括电阻丝930，该电阻丝930均匀地分部于容纳空间21；和/或冷却件94包括涡流管组件940。具体的，加热件93还包括电阻丝加热装置931，根据温度控制单元92的指令，对电阻丝930加热进而对介质3进行加热，使得加热结构简单，且可快速均匀升温。涡流管组件940采用涡流管，使用普通压缩空气就可正常工作，可瞬间将压缩空气分流成冷热两股气流，热气端出口处有一个可调旋钮，可通过设定冷，热气流的比例来调节对应气流的温度与流量。其原理在于，压缩空气输入涡流管，以高速旋转的方式流向一方，在这股气流运动过程中，外层的空气会发热，与之相反的是，内层的空气会变冷(冷热度与流速成正比)，运动至一端时冷气回沿着涡流的中心反向回流，形成制冷源。涡流管组件结构简单，冷却效果好。

继续参考图1所示，在一些实施例中，校准装置100的具体结构可以是还包括介质循环件10，介质循环件10的输入端通过第二管路42以及第二阀72连通容纳空间21，输出端通过第三管路43以及第三阀73连通容纳空间21。具体的，介质循环件10还包括油箱(图中未示出)、电动循环泵(图中未示出)，油箱中储存介质3耐高温油，第二阀72为回油阀，第三阀73为进油阀，开启电动循环泵关闭第二阀72可向容纳空间21自动供油，在容纳空间21的液位达到要求后关闭第三阀73。在温度控制单元92调节校准介质3的温度时，打开第二阀72、第三阀73，开启电动循环泵，使高温介质3快速流动，达到快速加热或冷却高温介质3的目的。

在一些实施例中，如图1所示，校准装置100还包括工作台400，工作台400作为安装框架，为腔室2、待校准传感器300、第一管路41、介质循环件10、加热件93、冷却管路941等提供安装平台。

参考图2所示，在一个实施例中，采用如上所述的压力传感器校准装置100的压力传感器校准方法的具体步骤可以是，包括：

标准传感器200被安装于压力件1的标准传感器安装位置11，待校准传感器300被安装于腔室2的待校准传感器安装位置12。承上所述的，如图1所示，标准传感器200、待校准传感器300均连接到准静态电荷放大器5的输入端51，准静态电荷放大器5的输出端52连接到数据采集系统50。

介质3被加入至腔室2的容纳空间21以及与容纳空间21连通的压力件3，介质3在容纳空间21以及压力件3的液位一致，介质3处于测试温度。承上所述的，如图1所示，介质3为耐高温油储存于介质循环件10的油箱中，打开介质循环件10的第三阀73和电动循环泵将耐高温油由油箱经第三管路43注入容纳空间21内，通过第一管路41流入压力件1内部，容纳空间21和压力件1的液位保持一致，容纳空间21充满后液位显示件6显示液位在中部左右。

介质3被压力件1连续加载压力至测试压力，加载压力过程的加载时间t与准静态电荷放大器5的时间常数τ的关系为t<τ/1000。承上所述的，如图1所示，压力件1可以为手摇加压泵，使用手摇加压泵迅速加载到设定压力，加载时间t要远小于准静态电荷放大器的时间常数τ。

标准传感器200以及待校准传感器300的压力信号经过准静态电荷放大器5输出被计算，得到待校准传感器300的校准结果。承上所述的，如图1所示，数据采集系统50采集标准传感器200和待校准传感器300的压力曲线，通过特定算法计算出待校准传感器300的线性度、灵敏度等性能指标。

如此设置的有益效果在于，解决了压电式压力传感器静态下无输出的问题，且装置结构简易，大大降低了校准成本。

参考图3所示，在一些实施例中，介质3具有测试温度的步骤具体可以是，包括：

介质3为初始温度被加入至腔室2的容纳空间21以及与容纳空间21连通的压力件3。承上所述的，如图1所示，介质3为耐高温油储存于介质循环件10的油箱中，打开介质循环件10的第三阀73和电动循环泵将耐高温油以初始温度由油箱经第三管路43注入容纳空间21内，通过第一管路41流入压力件1内部。

介质3被加热，并且被压力件3多次加载以排除加热的介质3的气泡，液位显示件6的第一阀71打开，以使得气泡排出至外界，直至介质3具有测试温度后，关闭第一阀71。承上所述的，如图1所示，根据实际需求设定测试温度，通过温度控制单元92控制电阻丝加热装置931开启加热模式，直到介质3达到设定温度，关闭介质循环件的第三阀73和电动循环泵。温度升高过程中，在透明的液位显示件6中能够看到不断有气泡冒出，打开第一阀71，通过反复旋转手摇加压泵的手柄，排除液位显示件6内部的气泡，反复操作几次，直至液位显示件6中无气泡出现，关闭第一阀71，通过继续旋转手摇加压泵加载介质3到目标测试压力。

如此设置的有益效果在于，可实现快速升温，模拟传感器真实的高温工作环境。

参考图4所示，在一些实施例中，得到待校准传感器300的校准结果的具体步骤可以是，包括：

标准传感器200的压力曲线被根据时间划分为多个时间点，根据每个时间点的标准传感器200的压力测试值和灵敏度、以及待校准传感器300的压力测试值，得到待校准传感器300的灵敏度。

通过将待校准传感器300的灵敏度进行线性化拟合，得到待校准传感器300的灵敏度和线性工作直线，该工作直线对应的线性度偏差为标准传感器200的压力曲线与待校准传感器300的最大偏差。

具体的，数据采集系统50同时采集标准传感器200和待校准传感器300的压力曲线，将标准传感器200压力曲线根据时间平均划分为至少10个时间点，根据标准传感器200在各个时间点的压力测试值和灵敏度、以及待校准传感器300的压力测试值，计算出待校准传感器300在各个时间点的灵敏度；通过最小二乘法将待校准传感器300的多个灵敏度进行线性化拟合，得出待校准传感器300的灵敏度和线性工作直线，实际校准曲线与标准传感器曲线的最大偏差即为线性度偏差。

在一些实施例中，数据采集系统50、温度控制单元92可集成到同一硬件设备，进行校准结果计算以及温度控制的控制单元可以是现场的硬件设备，也可以是云端。

参考图5所示，在一些实施例中，介质3的冷却的具体步骤可以是，包括：通过温度控制单元92开启冷却件94；介质3被冷却，达到设定温度，温度控制单元92关闭冷却件94。具体的，承上所述的，介质3降温时，通过温度控制单元92控制涡流管组件940开启，向冷却管路941输送冷源对介质3进行冷却，打开介质循环件10和第二阀72、第三阀73，加速降温过程，直到达到设定温度，完成传感器校准工作。如此设置的有益效果在于，实现校准工作的快速冷却，以便于尽快拆下校准完毕的待校准传感器300，更换新的待校准传感器300，以提高校准工作效率。

以下介绍采用以上实施例介绍的校准装置100以及校准方法进行缸压传感器校准的过程。利用图1所示的校准装置100及校准方法同时校准6个待校准传感器300，在高温250℃下，校准5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa五个压力测试点，即测试温度为250℃，测试压力为5MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa。安装标准传感器200和待校准传感器300，完成对校准装置100的容纳空间21及压力件1的介质3加入，温度控制单元92设置测试温度为250℃，电阻丝加热装置931开始快速加热，加热速率

≥15℃/min，温度波动≤±0.01℃，待温度稳定且介质3无气泡冒出，压力件1以准静态连续加压模式稳定加压，压力波动≤0.05％FS，满足校准条件要求。在每个压力测试点，将准静态电荷放大器5的时间常数设定为τ＝100000s，并控制压力件1(手摇加压泵)在15s内达到测试压力点，将标准传感器200、待校准传感器300两种输出信号传输到准静态电荷放大器5上，经过信号处理后进行数据采集，并利用采集到的圧力曲线进行最小二乘法进行待校准传感器灵敏度、线性度等指标的校准。同时6只待校准传感器的校准工作时间与1只待校准传感器的校准时间一致，整个校准过程不超过1小时，可大大提高校准工作效率。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。