应用于PSP校准的压力传感器设计

沈阳仪表科学研究院有限公司 金 琦 杨吉鹏 魏晓明 李 斌 王 静

1 技术背景

压力敏感涂料（Pressure Sensitive Paint-PSP）是近年来发展起来的一种非接触的测压技术。随着PSP技术在航空风洞实验、汽车风洞实验等领域的应用越来越多，各种快速响应涂料相继研发并应用到各种实验中，与此同时，对新型涂料性能的评估和标定，以及在静态条件下的测试技术也需要革新。

目前，国内许多科研单位采用进口的动态压力传感器对快速响应涂料的性能进行校准、评估工作。这类传感器的主要特点是：适合高温工作环境、自身固有频率高、体积小等特点，但是在针对各类特种实验研发的特种涂料的校准测试中，传感器的参数很难做到完全匹配。基于这个原因，结合发动机研究院某型叶栅快速PSP涂料校准订制研发了一种新型的动态压力传感器，该传感器针对特种涂料，按计算和实验需求给出压力范围精度、频响、信号输出类型、整体结构尺寸等必要的参数，在最终的实验中，准确快速的完成对涂料动态性能的校准和比对。

2 核心技术

2.1 高速响应的PSP校准技术

本次设计采用全程可控的激波装置为涂料响应时间进行测试，激波装置的工作原理如图1所示。设备的的横截面为自定义矩形，高速气体加速段和爆破段的压比为人为设定。整个设备启动时，由于加速段与爆破段间的压力差作用而导致中间膜爆破，因而形成动态的激波。在爆破段管内壁上安装动态压力传感器与PSP涂料试件，采用波长可控的连续式激光器作为PSP试件的激励光源，PSP试件产生的反射光信号通过滤光镜过滤不需要的光波，最后的有用信号利用数采设备进行采集处理。

图1 整体试验设备工作示意图

2.2 动态压力传感器技术

具有宽的频响、优良的动态性能的压力传感器在PSP校准试验中起到非常关键的作用。传统的应变式压力传感器，因本身太低的固有频率早已满足不了需要；而一直以来用于动态压力测量的压电式压力传感器也越来越难以适应宽广而苛刻的测试要求。最新的研究表明采用硅压阻式原理的压力传感器代替压电式传感器将对试验的各项性能、参数、指标和校准结果起到更好的效果。

目前，硅压阻式压力传感器大多采用两种方式：一是充灌定量的硅油当介质来隔离被测压力与敏感器件，这种结构的传感器体积较大、且高温性能普遍较差，不适用于小空间和高温的测试环境中；二是一种由软引线做为输出信号的非充油式封装结构，其测压的敏感芯片和导电的键合引线外露，导致传感器耐腐蚀性和稳定性极差。本文涉及的传感器采用新的设计和工艺，产品体积满足用户要求，并且可以在200℃温度下稳定工作，同时具有较高的灵敏度和精度。

3 传感器设计原理及技术参数

3.1 传感器设计原理

本次设计的压阻式压力传感器采用SOI压力敏感芯片做为敏感元件，采用无引线封装工艺，同时保证了产品体积小且避免了键合引线的使用，提高了产品的稳定性和可靠性。经过可靠性分析和在极限温度下的性能测试，该传感器性能优良，可应用于-55℃~200℃全温区内的动态和静态压力测量，且产品装配工艺按实际需求订制，经实验验证，产品性能完全符合试验要求。

3.2 传感器技术参数

表1 动态压力传感器技术参数

3.3 传感器结构

图2 传感器结构示意图

4 应用领域

本文研究了快速响应PSP涂料在高速叶栅叶片表面动态压力测量的实验技术，其中，最重要的基准源之一的动态压力传感器的研发，取得了理想效果，为今后类似实验夯实了基础，提供了可参考标准。另外，随着PSP技术日新月异的发展，很快将广泛的应用在民用航空、航天、汽车等领域，而作为动态指标检测的基准源，此类的压力传感器也将得到更广泛的应用。