非线性电感式压差传感器动态校准

摘 要: 非线性电感式压差传感器具有调幅信号输出、输出与压力成非线性、输出受供电波形与负载影响 等特殊性。为了对非线性电感式压差传感器的幅频响应和相频响应进行校准，设计了一套专门的动态压力校准 方法和系统，并特别对调幅信号解调方法进行了分析和验证比较，对线性法进行了研究。利用该系统成功完成 了某两型非线性电感式压差传感器的频率响应测试。

1 非线性电感式压差传感器

电感式传感器具有结构简单可靠、输出功率大、 对工作环境要求不高、稳定性好等优点，在工业自动 控制系统中广泛被采用 ［1］ 。其主要缺点是频率响应 较低，不宜快速动态测量。电感式压差传感器用于国 防科研和航空航天工业 ［2］ ，一般采用变间隙型电感 传感器结构和变压器式转换电路，其基本原理如图 1 所示，主要由压力信号转换到机械信号、机械信号转 换到电感、电信号转换电路三部分组成，最后输出调 幅信号，载波一般为方波或正弦波。后续的调幅信号 解调可采用解调电路或软件解调。由于航空航天工业 中的电感式压差传感器往往用于反馈控制，对其动态 响应速度和准确度都提出了一定的要求，因此需要对 其进行动态校准。电感式压差传感器一般在一定测量 范围内具有比较好的线性，但一些特定环境的压力测 量采用了非线性电感式压差传感器，比如通过对膜片 的多点限位实现非线性输出，这种非线性电感式压差 传感器对动态校准提出了更特殊的要求。

我们曾对某型线性电感式压差传感器在正弦压力 校准装置进行了频率响应校准，对调幅方波信号的解 调采用软硬结合的方法，实现了对该传感器的归一化 幅频响应比较可靠的测试 ［3］ 。但该校准实验得到的 相频响应并不可靠，动态幅值灵敏度没有绝对意义， 解调系统也比较复杂，更不能满足非线性传感器的校 准要求。

本文针对非线性电感式压差传感器的特点，设计 了专门的校准方法与系统，特别对校准中比较关键的 调幅信号解调问题和非线性问题进行了研究分析，完 成了航空用某进口传感器和某国产传感器的动态校准。

2 动态校准整体方案

航空航天工业中的电感式压差传感器一般用于中 低频率的周期性压力脉动测量，因此采用正弦压力发 生器 ［4 －5］ 对其进行动态校准是比较合适的。根据传感 器的压力范围可以选择不同的正弦压力校准装置。从 图 1 各环节来看，转换电路中的载波频率限制了传感 器的最高测量频率。一般研究人员主要从提高载波频 率和改进解调系统两个角度去改善电感式传感器的动 态特性 ［6］ 。但对电感式压差传感器而言，为了获得 更高的灵敏度，敏感膜片一般设计的相对薄而大，形 变大，电感变化大，这样一来传感器的机械部分固有 频率并不高，机械部分成了限制传感器动态响应的主 要因素。对非线性电感式压差传感器进行动态校准的 流程如图 2 所示。在进行动态校准实验前需要对被校 压差传感器进行静态标定，得到其输出特性曲线。在 动态校准实验中，标准压力传感器和被校传感器同时 感受正弦压力发生器产生的中低频正弦压力，输出信 号被数据采集系统同步采集。由标准压力传感器输出 信号得到标准正弦压力; 被校传感器输出的调幅信号 通过软件解调恢复得到调制信号，再根据事先标定的 输出特性曲线进行线性化得到压力示值信号。压力示 值信号与标准压力信号进行比较可得被校传感器的幅 频响应和相频响应。