【方案分享】福禄克压力传感器校准解决方案

压力传感器概述

在各个工业现场中，经常需要对不同的介质压力进行测量和控制， 无可避免的需要用到各种压力测量装置，比如压力表，压力开关，压力传感器和变送器等。工程术语中的压力，在物理学上称之为压强，描述的是作用在物体单位面积上的力，单位为Pa（帕斯卡），其中F表示力，单位是N（牛顿）, A表示面积，单位是m2 (平方米)。

随着电子技术的发展，各种电子式传感器开始逐步替代传统的机械式测量装置，在压力测量领域，压力传感器，变送器，电子式压力开关等已经逐步取代传统的机械式压力表，压力开关等。

在JJG860-2015中，压力传感器通常定义为将压力信号转换成可用的电信号的装置。JJG882-2019中，压力变送器是指将压力信号转换为可传输的标准化信号的仪表，可以通俗的认为压力变送器是在压力传感器的基础上将电信号进行标准化的二次仪表。标准化的过程可以根据不同的应用要求灵活变化，可以是标准的电压，电流信号，也可以是数字化传输的各种总线通讯协议等方式。

压力传感器根据压力的参考端类型的不同，可以分为表压，绝压和差压方式，绝压是以绝对真空为参考起始零点，表压是以当前的大气压力为参考起始零点，差压则是以两个不同压力源的压力为参考，测量两个源的压力差值。

常用的压力传感器，按照压力量程划分，可简单分为微压（25kPa以下），低压（25kPa~700kPa），中压（700kPa~7MPa），中高压(7MPa~70MPa)和高压（70MP~500MPa）等，不同应用领域对于压力值的界定也有着不同的定义方式。

从敏感元件的实现原理上看，压力传感器可以分为电阻式，电容式，谐振式，光学式等类型，主要是依靠不同敏感元件将压力的物理变化转换为可测量的电学信号变化。

电阻式是通过将压力变化转换为敏感元件上的物理形变，在形变的物理载体上，制作力学敏感电阻，将形变转换为电阻阻值的变化，通过组成电桥的方式测量电阻值的变化来得到压力的变化量，常见的有扩散硅式压力传感器。

电容式则是将压力变化转换为电容极板间的距离或者介电常数的变化，从而改变电容的容值，通过振荡电路将容值的变化采集量化，常见的有陶瓷电容压力传感器。

谐振式是通过将压力的物理变化转换为敏感元件的谐振频率的变化，通过信号调理电路采集频率的变化，常见的有石英谐振，硅谐振，振动筒等。

光学式是通过将压力的物理变化转换到光学信号的变化，通过测量光信号的相位变化或角位移等来采集压力的变化，例如石英波登管。

针对不同的工业现场应用要求，各种传感器原理和工艺有着不同的应用优缺点。

在微压测量领域中，由于压力数值较小，对敏感元件产生的物理变化也相应的小很多，这就要求了敏感元件需要具有较高的灵敏度。谐振式压力传感器由于灵敏度较高，频率对压力的变化更为敏感，因此在低压高精度的测量中，有着比较好的性能表现，相对价格也比较高。当精度要求不是很高的情况下，扩散硅和电容式可以兼顾精度和成本。例如电容式真空传感器，利用被测介质的介电常数的变化，可以精确的测量低真空度。扩散硅压力传感器的灵敏度相对较大，部分可以达到（1~2）mV/V/kPa，也可应用于微压下的表压绝压测量。

在低压和中压的测量应用中，可选择范围较为广泛，高精度可选谐振式，中等精度水平可以选用扩散硅式，陶瓷电容电阻式，金属应变式等传感器。扩散硅式灵敏度高，体积小，生产工艺复杂，相对成本略高；陶瓷式成本低，精度低，适合大批量低成本应用，受限于材料的特性，灵敏度较低，不耐压力瞬变和机械冲击；金属应变式兼顾成本和精度，采用热处理的弹性体，可以适应不同的测量介质要求，敏感元部分根据不同的工艺，有溅射薄膜，玻璃微熔，应变片等，覆盖低灵敏度到高灵敏度的范围，受限于弹性体工艺限制，在低压力下的测量时，精度较差，优点是金属的弹性体可以承受较大的冲击。

中高压的应用中，扩散硅和金属应变式各有着广泛的应用，陶瓷受限于材料的强度，高压耐受强度较差。高压应用中，金属应变式有较大的优势，得益于金属弹性体材料的强度，可以承受几百兆帕的压力，同时能够应对较大冲击的应用场景，例如在石油压裂领域有着非常广泛的应用。

压力传感器按照准确度等级来看，覆盖从高精度的0.01级到低精度的4.0级，通常谐振式压力传感器能覆盖从低压到高压，0.01级到0.05级的测量要求，扩散硅传感器的精度等级范围为0.02~0.5级，陶瓷类的传感器等级为0.2~4.0级，金属应变式0.5~4.0级。

针对各种不同量程和精度的压力传感器校准，FLUKE计量校准部的压力校准产品，可以覆盖从0.01级到4.0级的微压到高压的宽量程范围压力校准。

根据计量检定规程要求，0.01级的压力传感器只能使用0.005级的活塞式压力计来校准，FLUKE的PG7601, PG7202和PG7302系列活塞压力计，覆盖从7kPa~500MPa范围内的0.005级表压绝压压力校准。

对于微压的0.02~0.5级压力传感器，7250LP系列微压气体压力校准器可以覆盖0~25kPa微压压力范围，最优不确定度达到0.009%读数，搭配负表压模块，可实现负压压力校准。

对于中压到高压范围，6270A，8270A/8370A模块化气体压力控制器可以覆盖从低压25kPa到高压110MPa的气体介质压力校准，一年期不确定度达到0.01%读数，单机可最多配备五个不同量程的校准模块，实现各个量程段最优不确定度，使用气体作为校准介质，可以适用于对洁净度要求较高的传感器校准应用，例如半导体行业应用的压力传感器。

对于20MPa~200MPa的压力传感器，也可以采用PPCH高压液体压力校准器，实现1~200MPa的自动压力校准，最优不确定度达到0.013%读数， 具备自动量程功能，可实现最佳的传感器校准性能。

另外，对于一些需要低成本校准的应用，FLUKE提供了低成本压力控制器的2271A工业压力校准器（气体）和E-DWT-H数字压力校准器（液体），可以适用于一些实验室等小规模校准测试。FLUKE还提供整体解决方案，覆盖从软件到电测设备，管路连接，气体和液体增压系统等全系列校准应用。