设计一种可应用于高温高压、强腐蚀性环境的压力检测传感器，以满足极端环境科学研究的需求。利用可耐高温高压、抗腐蚀、具有高屈服强度的金属作为传感器材料,采用组合式结构和特殊的圆膜片贴片与组桥技术,开发了适合于极端环境工作的钦压力传感器,并应用多维线性插值算法对传感器进行标定,以提高检测精度实验检测结果表明,钦压力传感器在60MPa、400C环境下的酸性或碱性溶液中都能正常工作,检测精可以达到0.%FS以内满足极端环境高精度压力检测需求。

      现代海底热液系统的发现对地质学、地球化学和生命科学等一系列学科具有重大的意义，并引起了科学家们浓厚的兴趣,相关的研究产生了许多新的发现并对传统的理论进行了挑战[24对热液系统进行现场检测与试验模拟研究，是进行生物成矿作用、生命起源等科学问题研究必须采用的方法然而由于其处于深海极端环境的特殊性，对检测技术提出了极高的要求热液系统的极端环境的特殊性主要表现为[1.56]一是高温高压，热液喷溢口温度达到400C以上，深度可能在6 000 m以上二是热液腐蚀性强;三是热液周围生长有微生物，这些因素都对检测带来极大地困难生物资源的分布与垂直深度密切相关[7-0]深度精确测是进行生命科学地球化学等研究及模拟试验前提条件，是进行科学探索的重要保障技术之一。

      我国研制的自容式高精度CTD剂面仪，其最大工作深度3000m不能满足极端环境的特殊要求目前市场上使用的硅压力传感器主要是扩散硅压力传感器，当工作温度超过120C，应变电阻与村底间漏电加剧，使传感器特性严重恶化以至失效利用新工艺、新材料研制的多晶硅压力传感器、单晶硅压力传感器、蓝宝石上硅压力传感器等最大检测压力不能达到60MPa而且硅材料传感器在碱性境下极易腐蚀，不适合在极端环境下检测普通金属材料或合金传感器在热液系统中可能溶解成单体对微生物有毒害作用不适宜应用于极端环境10-13]。

      本文介绍了一种可在高温高压环境下，酸碱腐蚀的高精度压力传感器其采用组合式结构，以工业纯铁作为传感器加工材料，铁金属物理化学性能稳定，可耐高温，耐腐蚀，屈服强度高，可耐高压，并且不具有生物毒性;传感器采用多维标定方法，补偿温度变化引起的漂移误差，提高了检测精度。

1、传感器设计

1.1材料选择

      热液系统极端环境的特殊性对传感器材料强度提出极高的要求，所以，传感器开发设计的首要难点就是材料的选择,该材料必须满足以下几个条件:能耐高温高压;@能耐腐3具备较高的检测精度;@检测不污境不具有生性。

      综合各方面性能本文选用的金属材料TC4作为传感器的加工材料，因其具有以下几个优势1高温下物理化学性能稳定可耐高温，并且经实验检测其具有很高的屈服强度与抗拉强度，可耐高压;@化学性能十分稳定，可耐酸碱腐蚀:具有较好的弹性模量，满足高精度检测要求;具有生物惰性，无生物毒性,对检测环境无污染;所以,该材料完全能满足极端环境恶劣环境的苛刻要求，是极端环境下压力检测传感器材料的最佳选择。

1.2 结构设计

      传感器采用组合式结构(如图1所示)前端连接件采用内螺纹与被测流体管道对接,保证在高压下连接安全可靠;密封圈防止卡口连接处高压液体溢出;压力传感器的弹性元件为周边固定的圆形膜片，贴在钦金属底座后，避免与热液直接接触;通过法兰结构将导线插头座固定，避免导线受力脱落而导致传感器故障。

图1 传感器组合式结构

1.3 圆膜片受力分析

      圆形平膜片在周边固支条件下,受到均匀的压强作用时，若挠度远小于膜片厚度，可认为满足小挠度理论，由弹性薄板小挠度理论可以得出5]。

      圆形平膜片受均布的压强,设膜片半径为a,厚度为t离圆心0为任一点A 单元体上两个相直的应力分别为半径方向应力  和半方直的切向应力o应分布图如图2 最大压强9可达 60 MPa，传感器圆膜片半径a=7mm,厚度t=2mm,计算可得owx=358MPa，oro=-551MPa,实验检测铁金属材料可知，泊松比v=03,拉伸弹性极限 R =710MPa,屈服强度Rpo-920 MPa，满足极端环境检测需求,

图2 圆膜片受力图

1.4 圆膜片应变与组桥技术

根据应变分布计算公式15]：

图3 圆膜式应变片贴片与组桥技术

2、传感器标定

      游离态、分解态氨基酸等营养物质的浓度随着海水深度星指数关系分布;在斜温层，海水温度与深度之间也近似于指数关系;所以，压力的精度高低对其它海洋科学实验结果将会产生重要影响本文开发的极端环境压力传感器工作环境温度变化范围大，而铁金属材料与圆膜式应变片在高温下性能会产生细微变化，从而导致测量误差，为解决温度变化而引人的误差，本文采用多维分段线性插值算法以提高精度[16]。

      在设定的不同温度热液下，本文首先通过标定特定标准压力得到原始的输出电压，将得到原始输出电压点阵图，如图4所示。

图 4 特定温度下检测标准压力得到的电压输出原始数据点阵图

      原始点阵的数据是不连续的,对于标准压力外测量得到的输出电压无法进行标定，本文用分段线性插值算法，可以得到同一温度条件下，不同输出电压与检测压力之间的对应关系，如图 5 所示，

      一次线性插值后得到的输出电压与检测压力之间线性关系图可以看出，此时输出电压与检测力之间的对应关系仍然是不完整的，只有有限的几条已知温度曲线上测量的电压值可以计算得到检测压力值.所以，需要再次进行分段线性插值，可以得到温度、测电压与检测压力之间的立体关系图(如图6所示)立体关系图建立后，只要得到温度与输出电压值，就可以依据图得到测量的目标压力值。

图5 一维线性插值得到输出电压与检测压力对应关系图

3、检测精度

      经广东省计量科学研究院国家二等计量测试中心检测表明*，在环境温度25C时，测量得到的压力值与标准值之间的误差都在士02%FS以内如表1所示)实验室测试表明，在其他不同温度条件下，测量得到的压力值与标准值之间的误差均小于土0.2%FS。

表 1  标准压力值与测量压力值对照表

测试指是记出编号;RZD20044455

4、小结与展望

      本文介绍了一种适用于极端环境的压力传感器,该传感器以铁金属为原材料,可耐高温高压，在400C热液环境下，可检测高达60 MPa的压力，并且在抗酸碱腐蚀性能强，无生物毒性，经久耐用,对检测环境无污染采用多维线性插值算法提高了传感器的检测精度，可达到满量程的士0.2%.该传感器的开发成功，为极端环境的生物成矿生命起源等重大科学研究提供了技术支持,但其检测技术还存在缺陷，即必须与温度检测仪器联合测试标定才能保证精度实现压力独立检测的高精度压力传感器是今后的研究与发展方向。

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