气压测量仪器的现状及发展

173气压测量仪器的现状及发展姜明波1，魏洪峰1，杜智涛1，李萍1，王洋2（1.总参大气环境研究所，北京100029；2.解放军理工大学气象学院，江苏南京211101）摘要：本文从气压测量的特点出发，介绍了金属膜盒、振筒、硅压阻、硅电容、石英谐振和硅谐振等气压仪器的工作原理和技术现状，提出了气压测量技术的主要发展方向，旨在为规划军用气压装备未来的研制、建设提供参考。关键词：气压仪器现状发展0引言大气压强（简称气压）是气象观探测的重要参数，对天气图上等压线分布和走向的分析是天气预报的基础，且气压对武器装备和军事行动也有着直接的影响。因此，气压是现代化军事气象水文保障业务中重要的观测参数要素之一。上世纪末以来，随着电子技术、半导体技术和信息技术的飞速发展，气压测量装备也进入了快速发展时期，各种新型气压测量仪器相继研制成功并投入应用。本文简要介绍了金属膜盒、振筒、硅压阻、硅电容、硅谐振、石英谐振等气压仪器的工作原理和技术特点，提出了气压测量技术的主要发展方向，旨在为规划军用气压装备未来的研制、建设提供参考。1气压测量的特点与难点由于大气压力是指从某一测量点开始，直至大气上界的空气柱重量，是以“真空”作为气压的“零点”。所以，气压表都是“绝压”型的，其压力指示是对于“真空”而言的。工业部门通常用“表压”，其压力是对于大气压的相对值。因此，基于与大气重力平衡原理的气压测量仪表，必须有一个“真空参考端”。如水银气压表的“真空参考端”为水银柱顶端；空盒气压传感器内部要抽真空；振筒气压传感器在振动筒和外护筒间有一个真空腔；这是气压测量传感器的共同特点。气压测量的另外一个特点在于，其要求的测量准确度较高，而变量非常微小。而这也正是气压测量的最大难点。世界气象组织在1990年第十次大会上给出了气象观测对气象仪器测量误差要求的目标，其中要求地面气象观测业务工作的气压测量误差为±0.1hPa，并在《WMO地面气象观测规范》等文件中反复强调“气压场分析是气象科学的基本需求，是所有预报产品的必要基础。在财政允许的条件下，气压测量应达到技术上可能的最高准确度”。对于气压表的全量程而言，±0.1hPa的准确度要求即相当于工业仪表的0.01级，可达到一级计量标准的水平。可见，天气学或气候学对气压测量的准确度要求之高，是其它压力测量领域所无法比拟的。当前，军用工作级地面气压仪准确度的普遍水平为±0.5hPa～±1.2hPa，与世界气象组织的要求差距很大，也远不能满足现代化军事气象水文保障的业务要求。因此，高准确度气压仪是未来气象装备研制、建设的重要方向之一。2气压测量仪器的技术现状气压的测量方法很多，通常是采用力平衡的方法，另外还有谐振式和气体式等。常用的测压传感器主要有利用液体压平衡原理的水银气压表，利用弹性力平衡的空盒气压表（计）、电容式空盒气压传感器、差动变压式空盒气压传感器、振弦式空盒气压传感器、硅压阻气压传感器，应用谐振方法的振筒式压力传感器、石英谐振和硅谐振式压力传感器等。下面简要介绍常见气压传感器（仪器）的工作原理和技术特点。2.1水银气压表水银气压表是根据水银柱的重力与大气压力相平衡的原理制作的，因其制造工艺简单、成本低廉，所以在上世纪90以前，水银气压表是大气压力测量的主要仪器。虽然水银气压表的应用历史较长，但水银174气压表的缺点也比较明显。由于水银对人体的毒害性，所以在使用、修理和储存水银气压表的场所必须注意防止水银污染。在保存水银时，必须用铁质或玻璃容器，以避免造成水银溶解其它金属后密度变化。在用水银气压表观测气压时，其示值必须进行温度和重力修正。由于水银气压表的安装和使用要求比较复杂，所以其测量准确度受到环境和人员的影响非常繁多，包括安装不垂直、环境温度不稳定、风的影响、观测方法不当和人眼的分辨力限制等。在诸多的误差因素中，人为读数误差往往是最大的。另外，也由于气压表的体积庞大、结构复杂，难以实现数字化和自动化，不能适应自动气象观测系统的发展方向，所以在上世纪末期，水银气压表开始逐渐被淘汰。2.2振筒气压传感器目前，我国气象业务系统所装备的使用级气压测量仪器为振筒气压仪，自动气象站也配备了振筒气压传感器。国产振筒气压仪于上世纪90年代初期研制成功，并逐步装备部队，替代水银气压表成为台站的主要气压测量仪器。在消除水银气压表人为读数误差、一定程度上提高气压观测准确度的同时，消除了水银污染，实现了气压观测的数字化和自动化，促进了自动气象观测系统的发展。但多年的应用实践表明，振筒气压仪的战技性能仍存在诸多不足。振筒气压传感器是典型的机械谐振式气压传感器，其直接感应对象是空气阻尼。由于空气的阻尼大小取决于空气的密度，从而建立了振筒元件的振动频率与空气密度间的函数关系。由于空气密度除受气压影响外，还受干空气成分、温度和湿度的影响，所以振筒元件的振动频率是气压、温度、湿度的函数。除气压外，温度对振筒元件振动频率的影响也非常直接和明显，当其它条件不变、环境温度从－50℃变化至50℃时，振筒固有频率的变化量约为1%，所以必须对振筒传感器气压量值测量结果的温度系数进行修正。温度修正采用软件查表法实现。通过内置温度敏感元件，在不同气压、温度条件下对每个振筒气压传感器的特性进行测试，分别得到振筒传感器的输出周期值和温度传感器的输出电压值，并据此做出特性曲线或二维表格，输入仪器的计算装置。此后在实际测量过程中，通过查表法（或公式法）与插值法相结合，计算出该传感器测量时刻所对应的气压输入量。但由于生产过程中温压交变标定测试手段所限，经内部查表修正后，振筒气压传感器的温度系数仍非常明显，且各压力点和温度点传感器温度系数差异普遍较大，无法在使用过程中通过周期检定对其温度系数进行修正处理，导致振筒气压仪的测量结果的不确定度较大、环境适应性也较差，不能满足地面气压观测要求。空气湿度也直接影响振筒气压仪的测量结果。振筒气压传感器在45℃时，当相对湿度从5%RH变化到95%RH时，可引起±0.1%的误差，且一旦受潮后，其测量性能难以在短期内恢复。据研究，振筒气压仪示值受湿度影响的主要原因，是振筒内壁吸附或凝结水汽的结果，水汽在振筒上的附加质量使振筒固有频率改变，造成示值偏移。同样，尘埃等其他污染物的附着也会给振筒气压仪的测量结果带来类似的影响。军用振筒气压仪采用在振筒气压传感器进气口处加装干燥过滤器的方法，部分地解决了湿度等污染物对振筒气压仪测量结果的影响问题。由于干燥剂吸水能力有限，振筒气压仪（传感器）干燥器内硅胶必须经常更换，在高湿季节更换更为频繁，而实际使用过程中极易因干燥剂更换不及时而引起振筒气压仪内部受潮，导致其测量结果准确度严重下降。因振筒元件是由镍铁合金材料整体车削加工制成，加工工艺要求非常高，传感器的装配测试要求也十分严格。但由于国内振筒传感器的生产工艺和管理水平很低，振筒气压仪的测量准确度、非线性、重复性、稳定性、环境适应性与电磁兼容性都较差，故障率也较高，研制和发展新型军用气压测量仪器的需求也日益急迫。2.3空盒气压表（计）空盒是利用金属弹力与大气压强相平衡的原理来测定气压的。空盒又称膜盒，是一种应用广泛的压力敏感元件，通常由弹性很好的两片金属膜片沿边缘焊接成密闭扁圆形盒子，膜盒内抽成真空或残留少量气体，膜片的表面压制成以中心为原点逐渐向外扩展的同心波纹，因而又称为波纹膜盒。金属膜片的材料有磷青铜、锡磷青铜、黄铜、铍青铜或其它恒弹性合金，如镍铬钛。在大气压力的作用下，膜盒两面的弹性与大气压力相平衡，膜片之间保持一定的距离。当气压变化时，膜片弹力和大气压力之间达到新的平衡，使膜盒的中心厚度产生变化。如果将膜盒一侧的中心点固定，膜盒厚度的变化就变成了另一侧的轴向位移。利用大气压力变化与膜盒中心位移间的函数关系，就可以测量大气压力。相对于水银气压表而言，空盒气压表体积小、易携带，因此早期被广泛应用于野战气象仪等机动式气175象观测装备。但由于膜盒的灵敏度很小，通过机械放大机构，使误差增大，且膜盒性能不稳定，有滞后、弹性后效和温度影响，其测量准确度远不如水银气压表。随着电子测量技术的应用，出现了以膜盒的中心位移控制电容、电感、差动变压器等形式的电测膜盒气压传感器，大大提高了膜盒测压的自动化水平。但由于无法真正解决膜盒的内在缺陷，大部分膜盒式传感器仅适用于准确度要求不高的场合或应用在使用前能够现场校准的仪器上，如电容膜盒曾广泛应用在电子探空仪上。随着MEMS技术的发展，金属膜盒逐渐被刚性系数更高的单晶硅盒所替代。2.4硅电容气压传感器电容式硅微压力传感器利用电容极距变化将压力变化转化为电容的变化，具有灵敏度高、功耗低等优点，其缺点是极距式固有的非线性以及微弱电容变化要求对信号检测电路的要求较高，且电容器件对温度影响比较敏感。芬兰VAISALA公司利用硅的高刚性特点设计了电容式单晶硅膜盒传感器BAROCAP。其结构如图1所示。图1电容式单晶硅膜盒传感器结构示意图将一片单晶硅薄片放置在一个浅玻璃容器上，玻璃容器底部以及单晶硅薄片的下方真空喷涂一层金属，形成一对电容极板。金属单晶硅薄片上方扣上一个单晶硅腔体，腔体内抽成真空，而玻璃腔体则与大气相通。由于大气压力的作用使单晶硅薄片产生形变，引起两金属涂层电极间的电容值的改变，基于由RC振荡器和三个参考电容所构成的测量电路对电容值的测量，可计算出大气压力值。VAISALA公司以BAROCAP技术为核心，研制了PTB系列气压传感器，在全球范围内得到了比较广泛的应用。中国气象局装备的CAWS600等自动气象站，采用了具有RS232数字通信功能、内置三BAROCAP传感器的气压变送器作为气压测量组件。BAROCAP给定的技术参数为：在5℃～55℃的温度条件下，在800hPa～1050hPa的测量范围内，其最大允许误差为±0.3hPa。但在实际应用中发现其长期稳定性较差，年漂移量普遍大于0.2hPa，甚至有相当比例的BAROCAP的年漂移量超过0.5hPa。根据WMO公布的试验结果显示，BAROCAP电容式单晶硅膜盒变送器的温度系数也比较大，在0℃～40℃范围内，其由温度系数所引起的误差普遍超过0.4hPa，甚至达到0.8hPa。另外，由于玻璃腔体与大气相通，空气成分的改变、水汽凝结和尘埃的污染等也都将对传感器的输出产生影响，降低电容式单晶硅膜盒传感器的测量准确度和长期稳定性。芬兰VTI公司由原VAISALA公司压力事业部的骨干成员创立，为避免知识产权纠纷，其研制的硅电容压力传感器主要用于海拔高度测量等非气象应用领域。2.5陶瓷电容传感器美国SETRA公司研制了SETRACERAM电容式陶瓷空盒气压传感器，并应用自寻零点式检测电路解决电容式陶瓷空盒气压的测量难题。在20℃温度条件下，600hPa～1100hPa的测量范围内，SETRA270型传感器最大允许误差优于±0.5hPa，SETRA370、SETRA470型传感器的最大允许误差优于0.2hPa。但SETRACERAM电容式陶瓷空盒气压传感器的温度系数非常明显，在常压条件下，0℃～40℃的温度范围内，其示值变量可达0.5hPa。1762.6石英电容传感器美国ROSEMOUNT公司利用石英的高稳定性、低膨胀系数和响应快的特点研制了电容式石英空盒传感器，其常温下的准确度达到了0.05级。2.7硅压阻传感器作为MEMS技术最早期、最成功的应用代表，诞生于六十年代末期的固态硅压阻传感器已成为当前应用最广泛的压力传感器。半导体单晶硅材料在受到外力作用时，产生极微小应变，其原子结构内部的电子能级状态发生变化，从而导致其电阻率剧烈的变化，由这种材料制成的电阻也就出现极大变化，这种现象被成为压阻效应。固态硅压阻传感器就是利用压阻效应原理，以单晶硅片上的特定晶向，在硅盒表面扩散出两对正交方向的电阻，构成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥，并同时利用硅的弹性力学特性，在同一硅片上进行特殊的机械加工，集应力敏感与力电转换于一体。固态硅压阻传感器的电路原理如图2所示。图2固态硅压阻传感器电路原理示意图硅压阻传感器的优点是灵敏度较高、线性好。更因体积小、功耗低、量产成本较低，而在工业压力测量领