如何使用壓力傳感器測(cè)量壓強(qiáng)
加入技術(shù)交流群
1. 什么是壓強(qiáng)？
壓強(qiáng)是指流體對(duì)其周圍每單位面積施加的力。例如， 壓強(qiáng)P是力F和面積A的函數(shù)。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/333322.htm
裝滿瓦斯的容器包含無(wú)數(shù)個(gè)不斷撞擊容器壁原子和分子。 壓強(qiáng)等于容器壁單位面積受到來(lái)自這些原子和分子的力的平均值。 此外，壓強(qiáng)不一定要沿容器壁測(cè)量，可以通過(guò)任何平面上每單位面積所受的力測(cè)得。 例如，氣壓就是對(duì)地面下壓的空氣重量的函數(shù)。 因此，海拔越高，壓強(qiáng)越低。 同樣，潛水員或潛水艇潛入海洋越深，壓強(qiáng)越大。
壓強(qiáng)的??SI單位是帕斯卡(N/m2)，其他常用的壓強(qiáng)單位還包括磅/每平方英寸(PSI)、大氣壓(atm)、bar、英寸汞柱(in Hg)以及毫米汞柱(mm Hg)。
壓強(qiáng)測(cè)量可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。 沒有運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓強(qiáng)即為靜態(tài)壓強(qiáng)。 靜態(tài)壓強(qiáng)的例子包括氣球內(nèi)的壓強(qiáng)或水盆內(nèi)水壓。 通常，流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變其施加給周圍的力。 這種壓強(qiáng)測(cè)量稱為動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)測(cè)量。 例如，氣球內(nèi)或水盆底部的壓強(qiáng)會(huì)隨著釋放氣球中的空氣或倒出水盆中的水而改變。
壓強(qiáng)水頭（壓頭）測(cè)量的是水槽或水管中液體的靜態(tài)壓強(qiáng)。 壓強(qiáng)水頭P僅取決于所測(cè)液體的高度h和重量密度w的函數(shù)，如圖1所示。
圖1. 壓強(qiáng)水頭測(cè)量
大海中潛水員所受的壓強(qiáng)等于潛水員所處的深度乘以海洋重量（64磅/立方英尺）。 潛水深度為33英尺的潛水員，其身體每平方英尺要承受2112磅的水， 等于14.7 PSI。 有趣的是，海平面的大氣壓也是14.7 PSI或1 atm。 因此，33英尺深的水產(chǎn)生的壓強(qiáng)與5英里的空氣一樣！ 潛水33英尺深的潛水員所承受的總壓強(qiáng)等于空氣重量與水產(chǎn)生的壓強(qiáng)之和，即29.4 PSI或2 atm。
壓強(qiáng)測(cè)量還可以通過(guò)所進(jìn)行的測(cè)量類型進(jìn)一步加以描述。 壓強(qiáng)測(cè)量有三種類型：絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓、差壓。 絕對(duì)壓強(qiáng)是指真空條件下的壓強(qiáng)（圖2）。 絕對(duì)壓強(qiáng)通常使用縮寫PAA（帕斯卡絕對(duì)壓強(qiáng)）或PSIA（磅每平方英寸絕對(duì)壓強(qiáng)）來(lái)描述。
圖2. 絕對(duì)壓強(qiáng)傳感器[3]
表壓是指相對(duì)于環(huán)境大氣壓的壓強(qiáng)（圖3）。 類似于絕對(duì)壓強(qiáng)，表壓通常使用字母縮寫PAG（帕斯卡表壓）或PSIG（磅每平方英寸表壓）來(lái)描述。
圖3.表壓傳感器[3]
差壓類似于表壓，但與測(cè)量環(huán)境大氣壓不同，差壓是測(cè)量具體參考?jí)簭?qiáng)（圖4）。 差壓通常使用字母縮寫PAD（帕斯卡差壓）或PSID（磅每平方英寸差壓）來(lái)描述。
圖4. 差壓傳感器[3]
至頁(yè)首
2. 壓力傳感器
由于必須測(cè)量的壓強(qiáng)的狀況、范圍及材料存在很大差異，因此壓力傳感器的設(shè)計(jì)有許多類型。 通常壓強(qiáng)可以轉(zhuǎn)換為某種中間形式，比如位移。 然后傳感器將位移轉(zhuǎn)換成電輸出，比如電壓或電流。 三種最常用的壓力傳感器類型是應(yīng)變計(jì)、可變電容、壓電式傳感器。
在所有壓力傳感器中，惠斯通電橋（基于應(yīng)變）傳感器是最常見的一種，提供的解決方案能夠滿足不同的精度、尺寸、堅(jiān)固性和成本需求。 橋式傳感器可以測(cè)量高壓和低壓應(yīng)用的絕對(duì)壓強(qiáng)、表壓或差壓。 所有橋式傳感器均使用應(yīng)變計(jì)和膜片（圖4）。
圖4. 典型應(yīng)變計(jì)壓力傳感器的截面[3]
當(dāng)壓力的變化引起膜片偏轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)變計(jì)的電阻會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，這個(gè)變化可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。 這些應(yīng)變計(jì)壓力傳感器分為不同類型：粘貼式應(yīng)變計(jì)、濺射應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。
粘貼式應(yīng)變計(jì)壓力傳感器是將一個(gè)金屬箔應(yīng)變計(jì)實(shí)際上被粘貼至所測(cè)應(yīng)變的表面上。 這些粘貼式箔片應(yīng)變計(jì)(BFSG)能夠多年來(lái)作為業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)并繼續(xù)得到使用，主要原因是它們對(duì)壓強(qiáng)變化擁有1000 Hz的快速反應(yīng)時(shí)間，以及大范圍的操作溫度。
濺射應(yīng)變計(jì)生產(chǎn)商在膜片上噴鍍一層玻璃，然后在傳感器膜片上沉淀一層薄金屬應(yīng)變計(jì)。 濺射應(yīng)變計(jì)傳感器實(shí)際上在應(yīng)變計(jì)元件、絕緣層和感應(yīng)膜片之間形成一個(gè)分子粘層。 這些儀器最適合長(zhǎng)時(shí)間且艱苦的測(cè)量條件。
集成電路生產(chǎn)商已開發(fā)出十分易用的復(fù)合壓力傳感器。 這些設(shè)備一般使用半導(dǎo)體膜片，然后在其上放置半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)和溫度補(bǔ)償傳感器。 適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理也以集成電路的形式包括在內(nèi)，在指定的范圍內(nèi)提供與壓力成線性比的dc電壓或電流。
如果兩塊金屬板距離發(fā)生變化，則兩塊金屬板之間的電容也會(huì)隨之變化。 可變電容壓力傳感器（圖5）可測(cè)量金屬膜片和固定金屬板之間的電容變化。 這些壓力傳感器通常較為穩(wěn)定、線性度較好，但它們對(duì)高溫非常敏感，其安裝也比大部分壓力傳感器更為復(fù)雜。
圖5. 電容壓力傳感器[4]
壓電式壓力傳感器（圖6）利用自然產(chǎn)生晶體（如石英）的電氣屬性。 這些晶體在受到壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷。 壓電式壓力傳感器無(wú)需外部激勵(lì)源，且十分堅(jiān)固。 但這些傳感器確實(shí)需要電荷放大電路，且十分容易受到?jīng)_擊和震動(dòng)的影響。
圖6. 壓電式壓力傳感器[4]
動(dòng)態(tài)沖擊是壓強(qiáng)測(cè)量應(yīng)用中傳感器失敗的一個(gè)常見原因，導(dǎo)致傳感器過(guò)載。 壓力傳感器過(guò)載的一個(gè)典型范例就是水錘現(xiàn)象。 快速移動(dòng)的液體因閥門關(guān)閉而突然停止時(shí)就會(huì)發(fā)生水錘現(xiàn)象。 液體的動(dòng)力由于突然受到壓制，導(dǎo)致液體管壁發(fā)生突然伸展的現(xiàn)象。 這種伸展會(huì)產(chǎn)生壓力突波，可能會(huì)損壞壓力傳感器。 為減少“水錘”的影響，傳感器和壓力線之間通常安裝一個(gè)減震器。 減震器通常是一種篩網(wǎng)過(guò)濾器或燒結(jié)材料，允許加壓液體通過(guò)，但不允許大量液體通過(guò)，因此可以在發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)避免壓力突波。 減震器在某些應(yīng)用中是保護(hù)傳感器的好選擇，但許多測(cè)試中，峰值沖擊壓力正是需要測(cè)試的對(duì)象。 這種情況下，就應(yīng)該選擇不包含過(guò)載保護(hù)的壓力傳感器。 [3]
至頁(yè)首
3. 壓力測(cè)量
如上所述，壓力傳感器的自然輸出是電壓。 許多基于應(yīng)變的壓力傳感器會(huì)輸出很小的mV電壓。 這個(gè)小信號(hào)要求多個(gè)信號(hào)調(diào)理考慮因素，將在下一節(jié)詳細(xì)說(shuō)明。 此外，許多壓力傳感器還會(huì)輸出經(jīng)過(guò)調(diào)理的0-5 V信號(hào)或4-20 mA電流。 在傳感器的工作范圍內(nèi)，這兩種輸出都是線性的。 例如，0 V和4 mA對(duì)應(yīng)0壓力測(cè)量。 同樣，5 V和20 mA對(duì)應(yīng)傳感器可測(cè)量的全幅容量，或最大壓力。 0-5 V和4-20 mA信號(hào)都可通過(guò)NI多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件輕松測(cè)量。
至頁(yè)首
4. 用于測(cè)量壓力的信號(hào)調(diào)理
與其他基于電橋的傳感器一樣，需要考慮多個(gè)信號(hào)調(diào)理因素，以便準(zhǔn)確地測(cè)量壓力。 下列因素十分重要：
- 橋完整
- 激勵(lì)
- 遙感
- 放大
- 濾波
- 偏移
- 分流校準(zhǔn)
上述每個(gè)因素都在底部鏈接的“使用應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量”教程中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。
一旦獲得可測(cè)量電壓信號(hào)后，這個(gè)信號(hào)必須轉(zhuǎn)換為實(shí)際壓力單位。 壓力傳感器通常在操作范圍內(nèi)產(chǎn)生線性響應(yīng)，因而一般無(wú)需線性化，但需要某些硬件或軟件將傳感器的電壓輸出轉(zhuǎn)換為壓力測(cè)量。 使用的轉(zhuǎn)換公式取決于使用的傳感器類型，并由傳感器生產(chǎn)商提供。 典型的轉(zhuǎn)換公式與激勵(lì)電壓、傳感器的全幅容量以及校準(zhǔn)因子相關(guān)。
例如，壓力傳感器的全幅容量為10,000 PSI、校準(zhǔn)因子為3mv/V，同時(shí)獲得10V DC激勵(lì)電壓的壓力轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生15 mV的測(cè)得電壓，那么測(cè)得的壓力為5000 PSI。
適當(dāng)縮放信號(hào)后，必須取得適當(dāng)?shù)耐Ｖ刮恢谩?壓力傳感器（無(wú)論是絕對(duì)壓強(qiáng)還是表壓）都有一個(gè)視為停止位置或參考位置的一定強(qiáng)度。 應(yīng)變計(jì)在該位置上應(yīng)產(chǎn)生0伏特。 偏移歸零電路會(huì)增加或刪除應(yīng)變計(jì)某一邊的電阻，從而達(dá)到這個(gè)“平衡”位置。 偏移歸零在確保壓力測(cè)量精確度上十分重要，為得到最佳結(jié)果，偏移歸零應(yīng)在硬件中執(zhí)行，而不是軟件。
評(píng)論