温度对气压传感器性能的影响研究

汪 洋，陈 珊，韩 啸，李 晖，韩 伟，汤学群，李建宇

（湖南省气象技术装备中心，湖南 长沙 410007）

0 引言

气压是气象观测的重要基础数据，对预报预测、气象服务意义重大。气象部门普遍使用维萨拉公司生产的PTB 系列气压传感器，该传感器采用BAROCAP 硅电容式绝对压力传感器测量大气压力。气压传感器受环境温度的影响很大，在气压传感器内部也增加了专门的温度补偿电路，但是并不能完全消除温度的影响。而气压传感器安装在室外的主采集器机箱中，在湖南地区室外环境温度一般为-10～40℃，对气压传感器测量精度必然会产生一定的影响。为保证气压传感器的数据准确，每年需要进行一次实验室检定，实验室检定的环境温度通常为20℃，所以给出的订正值也是20℃环境下的订正值，那么在其他温度环境下气压传感器的误差有多大并不得而知。

气压传感器的性能受温度的影响较大，国内许多同行对于气压传感器的温度影响进行了一些研究，如胡帆、金锐等[1-2]研究过不同环境温度条件下对气压传感器进行校准产生的影响，吴非洋、张天华等[3-4]研究过温度与风速对气压传感器现场校准的影响，李文博等[5]在不同温湿度条件下对气压传感器的性能进行了测试。本文在以前的研究基础上对根据我省特点对国家站使用的气压传感器进行了实验，探索温度对气压传感器的影响。

1 气压传感器工作原理

湖南省气象部门使用的气压传感器一般为PTB220 和PTB330 型，如图1 所示。为VAISALA 公司的产品，现用的主流型号为PTB330 型，属于硅电容式气压传感器。硅电容式气压传感器由压力敏感元件、压力转化元件和信号处理元件三部分组成[6]。PTB330 型气压传感器具有动态范围广、无迟滞和可重复性特性。传感器自身不发热，具有很好的耐温变和长期稳定性。

图1 气压传感器结构

PTB330 型硅电容气压传感器的核心元件由单晶硅的薄层构成，单晶硅的薄层焊接在涂有金属导电膜的玻璃板上，形成中间真空的硅膜盒。通过蚀刻使靠近玻璃板的单晶硅晶片上形成硅膜，并在硅膜上喷金使其导电，进而让导电玻璃板和硅膜构成平行板电容器。当大气压力发生变化时，单晶硅膜盒会出现弹性形变，从而使硅膜盒的电容发生变化。通过RC 振荡电路，测量硅电容器的电容值，通过压力线性修正和温度补偿，获得随气压输入信号变化的模拟电信号，通过采集电路测量出当前的大气压力值。

2 实验方法

本文使用六个维萨拉公司的PTB330 气压传感器进行实验，根据湖南省的温度特点，利用恒温恒湿箱制造不同的温度环境（-10～40℃），把气压传感器放置于不同的温度环境中，通过便携式压力校验仪产生气压值，通过对比常温下（20℃）的气压标准器示值和不同温度环境下的气压传感器示值，获得气压传感器在不同温度条件下的测量误差，通过分析不同温度条件下的测量误差实现气压传感器的温度订正。

为方便实验，将六台传感器自行编号为001、002、003、004、005、006。根据气压传感器在我省大部分地域使用时的环境温度，选取-10℃、0℃、＋10℃、＋20℃、＋30℃、＋40℃，共6 个温度测试点。控制气压从500hPa～1100hPa，选取500hPa、600hPa、700hPa、800hPa、900hPa、1000hPa 和1100hPa 共7 个气压测试点。按照气压传感器检定规程规定的检定方法在每个温度点进行两次正反行程检定实验，得到各气压检定点上传感器的误差平均值。

3 实验数据分析

当温度从-10℃升高至＋40℃，气压分别从500hPa升高至1100hPa 时，气压传感器001、002、003、004、005、006 的平均误差如表1 至表6 所示。

表1 气压传感器001 各温度点平均误差 单位：hPa

表2 气压传感器002 各温度点平均误差 单位：hPa

表3 气压传感器003 各温度点平均误差 单位：hPa

表4 气压传感器004 各温度点平均误差 单位：hPa

表5 气压传感器005 各温度点平均误差 单位：hPa

表6 气压传感器006 各温度点平均误差 单位：hPa

从表中可以看出，编号001 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.23hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.06hPa；编号002 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.16hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.35hPa；编号003 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.02hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.07hPa。编号004 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.21hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.07hPa；编号005 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.17hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.34hPa；编号006 传感器平均误差在500hPa 低压点全程最大相差0.04hPa，在1100hPa 高压点全程最大相差0.07hPa。六台气压传感器在各温度点和各气压点的误差变化没有明显的规律，平均误差改变的大小也不同。

编号001 传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.19hPa，在＋40℃点全程最大相差0.05hPa；编号002传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.19hPa，在＋40℃点全程最大相差0.04hPa；编号003 传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.04hPa，在＋40℃点全程最大相差0.04hPa；编号004 传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.22hPa，在＋40℃点全程最大相差0.02hPa；编号005 传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.21hPa，在＋40℃点全程最大相差0.02hPa；编号006 传感器平均误差在-10℃点全程最大相差0.05hPa，在＋40℃点全程最大相差0.03hPa。

为此，把各检定点误差画成曲线图进行比较。绘制的曲线图如图2 至图7 所示。从图中可以看出，传感器001、002、004、005 在低温时各检定点的误差差异明显增大，至10℃时基本趋于一致。传感器003、006 全程误差曲线变化不明显。

图2 传感器001 各检定点误差随温度变化曲线

图3 传感器002 各检定点误差随温度变化曲线

图4 传感器003 各检定点误差随温度变化曲线

图5 传感器004 各检定点误差随温度变化曲线

4 结语

气压传感器因为安装在气象观测场内，周围环境变化对传感器均有一定的影响，实际工作中有必要考虑环境温度变化对气压传感器产生的误差。通过本实验分析，得到以下结论。

（1）气压传感器均增加了温度补偿订正的功能，温度对传感器的实际影响并不是很大（本次测量的最大值为0.23hPa），均能保证传感器误差在气象规范的允许范围之内。

图6 传感器005 各检定点误差随温度变化曲线

图7 传感器006 各检定点误差随温度变化曲线

（2）温度对于各传感器的影响并没有规律，如果要通过计量检定并加以修正，必须对每一台气压传感器进行高低温实验。

（3）一般来说，低温对传感器的影响更大，因此在低温环境下检测气压传感器的性能具有一定的实际意义。