[科普中国]-振筒式气压传感器

振筒式气压传感器是一种新型的气压感应元件。它由两个同轴的一端密封的圆筒组成。一个是内振筒，一个是外保护筒。1

结构和原理振筒式气压传感器是一种新型的气压感应元件。它由两个同轴的一端密封的圆筒组成。一个是内振筒，一个是外保护筒。内振筒一般采用镍基恒弹合金。外保护筒一般用不锈钢制成。这两个筒的一端固定在公共基座上，另一端为自由端。线圈架安装在基座上，并位于圆筒的中央。线圈架上有激振线圈，它用于激励内振筒;线圈架上另有拾振线圈，它用于检测内振筒的振动频率。内振动筒和外保护筒之间的空间被抽空作为绝对压力的标准。内振动筒和线圈架之间的空间与被测气体相通。

对于大多数振筒的几何尺寸来说，轴向半波数m=1，周向波数n=3或4的模式具有最低的固有频率和最大振幅，并且容易激振。对称模式最稳定，对测量有利。所以m=I，n二4的振动模式，多用来作为气压传感器的工作模式。由于波型的对称性，使得传感器经得起大加速度位移而不致于损失任何磁性性能。

拾振线圈在线圈架中安装成与激振线圈相垂直，这样可避免两个线圈的互相规合。这种空间位置和相位关系有助于振筒以四瓣对称波型起振，波节的对称性也对滤掉外来的干扰有益。

激振线圈、拾振线圈和机械共振的内振筒由通过导线的电流和由磁力线所产生的力相互联系着，构成为闭环控制电路。

空气引入线圈架和振筒之间的空腔，筒壁由作用在筒内表面的压力所张紧，这个张力使筒的固有频率随压力的增加而增加。当机械频率增加时，拾振线圈直接检测出频率增量，并立即将这个信息转送到放大器和限幅器。该新的频率和新的极限电压又反馈到激振线圈，产生一个增强了的、并以适当频率脉动的力。

传感器在零压力点有一个固有频率的选择原则是:对于气压传感器而言，要尽可能使频率高些，这样可以使方程的二次项占的比例明显减小，有利于线性化。

主要性能分辨率为了提高分辨率，一般的变换方法是打开一个逻辑门，让一个精密的高频时钟脉冲通过，并用计数器按二进制来积累通过门的时钟脉冲。时钟门最初是在传感器一个输出矩形波的起点被打开，而在传感器后一个输出矩形波的起点被关闭。固定频率的时钟脉冲数随后在传感器一个输出周波的时间内被积累在计数器内。若用28=64个传感器的周波数来控制，而时钟为15兆赫时，分辨率将为1/213312或土0.0005%。

阻尼振筒式气压传感器，由于没有支承点的摩擦，因此具有低的阻尼，谐振响应曲线很“陡”。由于低阻尼，它的品质因数Q值在5000以上。

重复性和迟滞振筒式气压传感器重复性好和迟滞低。其所以迟滞低主要是因为它没有支承点的摩擦和元件本身的永久变形。而且内振筒焊接在外保护筒的较重的环形基座上，该组件又夹紧在传感器基座上，因而不存在相对运动。而振筒所受的应力只要在材料的弹性极限以内，元件就不会有永久性变形。两项的全部影响不大于传感器所测压力“满刻度”的±0.0001%。

长期稳定性振筒式气压传感器的长期稳定性好。一年的长期稳定性，2σ(σ为均方误差)为“满刻度”的±0.006%。影响它的长期稳定性的因素是：内外筒之间的标准真空(标准真空度为10-6毫米汞高)的电子束焊处的多孔性，其次是材料的多孔性。

温度影响温度既影响振筒的弹性常数，又影响与振筒相接触的气体密度。前者的温度系数在百万分之几以内，可以认为是零。

一种较好的温度补偿方法是用一个加热线圈放人线圈架和用一个简单的比例闭环控制系统去控制内部结构和气体的温度。经温度补偿后，若恒温点在710C，则在“满刻度”点上的误差为士0.001%。1

误差修正振筒式气压传感器工作在不同的环境温度条件下，随着环境温度的变化，其测量误差也会不同。为了提高测量精度，必须对振动筒式压力传感器的温度误差进行修正。在压力传感器的底座内安置了一个二极管，利用二极管的正向电压随温度变化的特性来检测传感器的工作温度。虽然不同的振动筒式压力传感器的温度特性存在差异，但就某一具体传感器而言， 其温度特性是确定的。在飞机上专用的计算机中，存储了振动筒式压力传感器的温度特性数据，根据环境温度的大小，可有效地对温度误差进行修正，以达到提高测量精度的目的。温度测量电路的输出电压经过A/D 转换。变成数字量后， 由单片机结合温度特性数据对传感器输出的频率量实施修正，从而消除温度误差。

本词条内容贡献者为:

郭亮 - 副教授 - 中国海洋大学