設(shè)計一種可應(yīng)用于高溫高壓、強(qiáng)腐蝕性環(huán)境的壓力檢測傳感器，以滿足極端環(huán)境科學(xué)研究的需求。利用可耐高溫高壓、抗腐蝕、具有高屈服強(qiáng)度的金屬作為傳感器材料,采用組合式結(jié)構(gòu)和特殊的圓膜片貼片與組橋技術(shù),開發(fā)了適合于極端環(huán)境工作的欽壓力傳感器,并應(yīng)用多維線性插值算法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,以提高檢測精度實驗檢測結(jié)果表明,欽壓力傳感器在60MPa、400C環(huán)境下的酸性或堿性溶液中都能正常工作,檢測精可以達(dá)到0.%FS以內(nèi)滿足極端環(huán)境高精度壓力檢測需求。

      現(xiàn)代海底熱液系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)對地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科具有重大的意義，并引起了科學(xué)家們濃厚的興趣,相關(guān)的研究產(chǎn)生了許多新的發(fā)現(xiàn)并對傳統(tǒng)的理論進(jìn)行了挑戰(zhàn)[24對熱液系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場檢測與試驗?zāi)�擬研究，是進(jìn)行生物成礦作用、生命起源等科學(xué)問題研究必須采用的方法然而由于其處于深海極端環(huán)境的特殊性，對檢測技術(shù)提出了極高的要求熱液系統(tǒng)的極端環(huán)境的特殊性主要表現(xiàn)為[1.56]一是高溫高壓，熱液噴溢口溫度達(dá)到400C以上，深度可能在6 000 m以上二是熱液腐蝕性強(qiáng);三是熱液周圍生長有微生物，這些因素都對檢測帶來極大地困難生物資源的分布與垂直深度密切相關(guān)[7-0]深度精確測是進(jìn)行生命科學(xué)地球化學(xué)等研究及模擬試驗前提條件，是進(jìn)行科學(xué)探索的重要保障技術(shù)之一。

      我國研制的自容式高精度CTD劑面儀，其最大工作深度3000m不能滿足極端環(huán)境的特殊要求目前市場上使用的硅壓力傳感器主要是擴(kuò)散硅壓力傳感器，當(dāng)工作溫度超過120C，應(yīng)變電阻與村底間漏電加劇，使傳感器特性嚴(yán)重惡化以至失效利用新工藝、新材料研制的多晶硅壓力傳感器、單晶硅壓力傳感器、藍(lán)寶石上硅壓力傳感器等最大檢測壓力不能達(dá)到60MPa而且硅材料傳感器在堿性境下極易腐蝕，不適合在極端環(huán)境下檢測普通金屬材料或合金傳感器在熱液系統(tǒng)中可能溶解成單體對微生物有毒害作用不適宜應(yīng)用于極端環(huán)境10-13]。

      本文介紹了一種可在高溫高壓環(huán)境下，酸堿腐蝕的高精度壓力傳感器其采用組合式結(jié)構(gòu)，以工業(yè)純鐵作為傳感器加工材料，鐵金屬物理化學(xué)性能穩(wěn)定，可耐高溫，耐腐蝕，屈服強(qiáng)度高，可耐高壓，并且不具有生物毒性;傳感器采用多維標(biāo)定方法，補(bǔ)償溫度變化引起的漂移誤差，提高了檢測精度。

1、傳感器設(shè)計

1.1材料選擇

      熱液系統(tǒng)極端環(huán)境的特殊性對傳感器材料強(qiáng)度提出極高的要求，所以，傳感器開發(fā)設(shè)計的首要難點(diǎn)就是材料的選擇,該材料必須滿足以下幾個條件:能耐高溫高壓;@能耐腐3具備較高的檢測精度;@檢測不污境不具有生性。

      綜合各方面性能本文選用的金屬材料TC4作為傳感器的加工材料，因其具有以下幾個優(yōu)勢1高溫下物理化學(xué)性能穩(wěn)定可耐高溫，并且經(jīng)實驗檢測其具有很高的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，可耐高壓;@化學(xué)性能十分穩(wěn)定，可耐酸堿腐蝕:具有較好的彈性模量，滿足高精度檢測要求;具有生物惰性，無生物毒性,對檢測環(huán)境無污染;所以,該材料完全能滿足極端環(huán)境惡劣環(huán)境的苛刻要求，是極端環(huán)境下壓力檢測傳感器材料的最佳選擇。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

      傳感器采用組合式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)前端連接件采用內(nèi)螺紋與被測流體管道對接,保證在高壓下連接安全可靠;密封圈防止卡口連接處高壓液體溢出;壓力傳感器的彈性元件為周邊固定的圓形膜片，貼在欽金屬底座后，避免與熱液直接接觸;通過法蘭結(jié)構(gòu)將導(dǎo)線插頭座固定，避免導(dǎo)線受力脫落而導(dǎo)致傳感器故障。

圖1 傳感器組合式結(jié)構(gòu)

1.3 圓膜片受力分析

      圓形平膜片在周邊固支條件下,受到均勻的壓強(qiáng)作用時，若撓度遠(yuǎn)小于膜片厚度，可認(rèn)為滿足小撓度理論，由彈性薄板小撓度理論可以得出5]。

      圓形平膜片受均布的壓強(qiáng),設(shè)膜片半徑為a,厚度為t離圓心0為任一點(diǎn)A 單元體上兩個相直的應(yīng)力分別為半徑方向應(yīng)力  和半方直的切向應(yīng)力o應(yīng)分布圖如圖2 最大壓強(qiáng)9可達(dá) 60 MPa，傳感器圓膜片半徑a=7mm,厚度t=2mm,計算可得owx=358MPa，oro=-551MPa,實驗檢測鐵金屬材料可知，泊松比v=03,拉伸彈性極限 R =710MPa,屈服強(qiáng)度Rpo-920 MPa，滿足極端環(huán)境檢測需求,

圖2 圓膜片受力圖

1.4 圓膜片應(yīng)變與組橋技術(shù)

根據(jù)應(yīng)變分布計算公式15]：

圖3 圓膜式應(yīng)變片貼片與組橋技術(shù)

2、傳感器標(biāo)定

      游離態(tài)、分解態(tài)氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)的濃度隨著海水深度星指數(shù)關(guān)系分布;在斜溫層，海水溫度與深度之間也近似于指數(shù)關(guān)系;所以，壓力的精度高低對其它海洋科學(xué)實驗結(jié)果將會產(chǎn)生重要影響本文開發(fā)的極端環(huán)境壓力傳感器工作環(huán)境溫度變化范圍大，而鐵金屬材料與圓膜式應(yīng)變片在高溫下性能會產(chǎn)生細(xì)微變化，從而導(dǎo)致測量誤差，為解決溫度變化而引人的誤差，本文采用多維分段線性插值算法以提高精度[16]。

      在設(shè)定的不同溫度熱液下，本文首先通過標(biāo)定特定標(biāo)準(zhǔn)壓力得到原始的輸出電壓，將得到原始輸出電壓點(diǎn)陣圖，如圖4所示。

圖 4 特定溫度下檢測標(biāo)準(zhǔn)壓力得到的電壓輸出原始數(shù)據(jù)點(diǎn)陣圖

      原始點(diǎn)陣的數(shù)據(jù)是不連續(xù)的,對于標(biāo)準(zhǔn)壓力外測量得到的輸出電壓無法進(jìn)行標(biāo)定，本文用分段線性插值算法，可以得到同一溫度條件下，不同輸出電壓與檢測壓力之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖 5 所示，

      一次線性插值后得到的輸出電壓與檢測壓力之間線性關(guān)系圖可以看出，此時輸出電壓與檢測力之間的對應(yīng)關(guān)系仍然是不完整的，只有有限的幾條已知溫度曲線上測量的電壓值可以計算得到檢測壓力值.所以，需要再次進(jìn)行分段線性插值，可以得到溫度、測電壓與檢測壓力之間的立體關(guān)系圖(如圖6所示)立體關(guān)系圖建立后，只要得到溫度與輸出電壓值，就可以依據(jù)圖得到測量的目標(biāo)壓力值。

圖5 一維線性插值得到輸出電壓與檢測壓力對應(yīng)關(guān)系圖

3、檢測精度

      經(jīng)廣東省計量科學(xué)研究院國家二等計量測試中心檢測表明*，在環(huán)境溫度25C時，測量得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差都在士02%FS以內(nèi)如表1所示)實驗室測試表明，在其他不同溫度條件下，測量得到的壓力值與標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差均小于土0.2%FS。

表 1  標(biāo)準(zhǔn)壓力值與測量壓力值對照表

測試指是記出編號;RZD20044455

4、小結(jié)與展望

      本文介紹了一種適用于極端環(huán)境的壓力傳感器,該傳感器以鐵金屬為原材料,可耐高溫高壓，在400C熱液環(huán)境下，可檢測高達(dá)60 MPa的壓力，并且在抗酸堿腐蝕性能強(qiáng)，無生物毒性，經(jīng)久耐用,對檢測環(huán)境無污染采用多維線性插值算法提高了傳感器的檢測精度，可達(dá)到滿量程的士0.2%.該傳感器的開發(fā)成功，為極端環(huán)境的生物成礦生命起源等重大科學(xué)研究提供了技術(shù)支持,但其檢測技術(shù)還存在缺陷，即必須與溫度檢測儀器聯(lián)合測試標(biāo)定才能保證精度實現(xiàn)壓力獨(dú)立檢測的高精度壓力傳感器是今后的研究與發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn):

[1] Kelley Deborah S，Karson Jeffrey A,Blackman Donna K，etal An OffAxis Hydrothermal Vent Field Near the Mid-Atlantie Ridge at 30°N[]].Natrue，2001，412 :145-149

[2] 7Van Dover C L,German C R,Speer K G, et al Evolution andBiogeography of Deep-Sea Vent and Seep Invertebrates[J],Science，2002，295 ，1253-1257.

[3] Kashefi K.Lovley D R Extending the Upper Temperature3Limit for life[1l Science, 2003，301  934.

[4] 戴寶章、趙葵東、蔣少涌，現(xiàn)代海底熱液活動與塊狀硫化物礦床47成因研究進(jìn)展[]]礦物巖石地球化學(xué)通報，200423(3)，246254.

[5] 彭曉彤周懷陽EPR9~10N熱液煙體的結(jié)構(gòu)特征與生長歷史]中國科學(xué)D輯，地球科學(xué),2005,35(8)720-728

[6] 朱佛宏，“大西洋中脊梅內(nèi)茲·格文熱液露頭的化學(xué)成分海洋地質(zhì)動態(tài)[]]海洋地質(zhì)動態(tài),2006,22(8)19-20.

[7] 牟德海，黃長江，世平等,大亞灣沉積物中氨基酸的垂直分布J]分析測試學(xué)報2002,21(3):28-30

[8] 林建恒，蔣國健,高偉等,海洋環(huán)境噪聲垂直分布剝試和分析[]]海洋學(xué)報,2005,27(3)，32-38.

[9]朱光文,我國海洋監(jiān)測技術(shù)研究和開發(fā)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展J].海洋技術(shù)2002,21(2)，27-32

[10] 趙艷平,丁建寧,楊繼昌等,微型高溫壓力傳感器芯片設(shè)計分析與優(yōu)化D]傳感技術(shù)學(xué)報2006,19(5)P1829-1831

[11] 葉青，高溫壓阻式壓力傳感器的制作[J].國外傳感技術(shù)2004.14(5)，162-165.

[12] 石立峰高溫壓力傳感器LJ]國外傳感技術(shù)，200212(4)122-127.

[13]張為,姚索英,張生才等，高溫壓力傳感器現(xiàn)狀與展望[]]儀表技術(shù)與傳感器,2002,4;6-8.

[14] 馮穎芳，康活方,張等,合金醫(yī)用植人物材料的研究及應(yīng)用[J]稀有金屬,2001,25(5)349-354.

[15] Lin Li wei, Chu Huey-Chi,Lu Yen-Wen, A Simulation Program for the Sensitivity and Linearity of Piezoresistive Pressure Sensors[j]. Journal of Microelectrornechanical Systerns.1999,514.522 Ye Sbu-Ming.Jiang Kai, Chen Hang, etalEnhancing the[167precision of infrared thermodetector for medicine by tworchannel measuring technique and mulriple linear interpolation algorithm[C]// Conference of the Enginecring in Medicine and Biology Society，Shanghai，IEEE-EMBS2005，5211-5214

班寧產(chǎn)品匯總