如何使用壓力傳感器測量壓強

1. 什么是壓強？

壓強是指流體對其周?chē)繂挝幻娣e施加的力。例如， 壓強P是力F和面積A的函數。

裝滿(mǎn)瓦斯的容器包含無(wú)數個(gè)不斷撞擊容器壁原子和分子。 壓強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，壓強不一定要沿容器壁測量，可以通過(guò)任何平面上每單位面積所受的力測得。 例如，氣壓就是對地面下壓的空氣重量的函數。 因此，海拔越高，壓強越低。 同樣，潛水員或潛水艇潛入海洋越深，壓強越大。

壓強的??SI單位是帕斯卡(N/m2)，其他常用的壓強單位還包括磅/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)。

壓強測量可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)。 沒(méi)有運動(dòng)時(shí)的壓強即為靜態(tài)壓強。 靜態(tài)壓強的例子包括氣球內的壓強或水盆內水壓。 通常，流體的運動(dòng)會(huì )改變其施加給周?chē)牧Α?這種壓強測量稱(chēng)為動(dòng)態(tài)壓強測量。 例如，氣球內或水盆底部的壓強會(huì )隨著(zhù)釋放氣球中的空氣或倒出水盆中的水而改變。

壓強水頭（壓頭）測量的是水槽或水管中液體的靜態(tài)壓強。 壓強水頭P僅取決于所測液體的高度h和重量密度w的函數，如圖1所示。

圖1. 壓強水頭測量

大海中潛水員所受的壓強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等于空氣重量與水產(chǎn)生的壓強之和，即29.4 PSI或2 atm。

壓強測量還可以通過(guò)所進(jìn)行的測量類(lèi)型進(jìn)一步加以描述。 壓強測量有三種類(lèi)型：絕對壓強、表壓、差壓。 絕對壓強是指真空條件下的壓強（圖2）。 絕對壓強通常使用縮寫(xiě)PAA（帕斯卡絕對壓強）或PSIA（磅每平方英寸絕對壓強）來(lái)描述。

圖2. 絕對壓強傳感器[3]

表壓是指相對于環(huán)境大氣壓的壓強（圖3）。 類(lèi)似于絕對壓強，表壓通常使用字母縮寫(xiě)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(lèi)似于表壓，但與測量環(huán)境大氣壓不同，差壓是測量具體參考壓強（圖4）。 差壓通常使用字母縮寫(xiě)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]

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2. 壓力傳感器

由于必須測量的壓強的狀況、范圍及材料存在很大差異，因此壓力傳感器的設計有許多類(lèi)型。 通常壓強可以轉換為某種中間形式，比如位移。 然后傳感器將位移轉換成電輸出，比如電壓或電流。 三種最常用的壓力傳感器類(lèi)型是應變計、可變電容、壓電式傳感器。

在所有壓力傳感器中，惠斯通電橋（基于應變）傳感器是最常見(jiàn)的一種，提供的解決方案能夠滿(mǎn)足不同的精度、尺寸、堅固性和成本需求。 橋式傳感器可以測量高壓和低壓應用的絕對壓強、表壓或差壓。 所有橋式傳感器均使用應變計和膜片（圖4）。

圖4. 典型應變計壓力傳感器的截面[3]

當壓力的變化引起膜片偏轉時(shí)，應變計的電阻會(huì )發(fā)生相應變化，這個(gè)變化可以通過(guò)數據采集(DAQ)系統進(jìn)行測量。 這些應變計壓力傳感器分為不同類(lèi)型：粘貼式應變計、濺射應變計和半導體應變計。

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定、線(xiàn)性度較好，但它們對高溫非常敏感，其安裝也比大部分壓力傳感器更為復雜。

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)需外部激勵源，且十分堅固。 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)沖擊是壓強測量應用中傳感器失敗的一個(gè)常見(jiàn)原因，導致傳感器過(guò)載。 壓力傳感器過(guò)載的一個(gè)典型范例就是水錘現象。 快速移動(dòng)的液體因閥門(mén)關(guān)閉而突然停止時(shí)就會(huì )發(fā)生水錘現象。 液體的動(dòng)力由于突然受到壓制，導致液體管壁發(fā)生突然伸展的現象。 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(xiàn)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)生水錘現象時(shí)避免壓力突波。 減震器在某些應用中是保護傳感器的好選擇，但許多測試中，峰值沖擊壓力正是需要測試的對象。 這種情況下，就應該選擇不包含過(guò)載保護的壓力傳感器。 [3]

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3. 壓力測量

如上所述，壓力傳感器的自然輸出是電壓。 許多基于應變的壓力傳感器會(huì )輸出很小的mV電壓。 這個(gè)小信號要求多個(gè)信號調理考慮因素，將在下一節詳細說(shuō)明。 此外，許多壓力傳感器還會(huì )輸出經(jīng)過(guò)調理的0-5 V信號或4-20 mA電流。 在傳感器的工作范圍內，這兩種輸出都是線(xiàn)性的。 例如，0 V和4 mA對應0壓力測量。 同樣，5 V和20 mA對應傳感器可測量的全幅容量，或最大壓力。 0-5 V和4-20 mA信號都可通過(guò)NI多功能數據采集(DAQ)硬件輕松測量。

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4. 用于測量壓力的信號調理

與其他基于電橋的傳感器一樣，需要考慮多個(gè)信號調理因素，以便準確地測量壓力。 下列因素十分重要：

• 橋完整
• 激勵
• 遙感
• 放大
• 濾波
• 偏移
• 分流校準

上述每個(gè)因素都在底部鏈接的“使用應變計進(jìn)行應變測量”教程中進(jìn)行了詳細說(shuō)明。

一旦獲得可測量電壓信號后，這個(gè)信號必須轉換為實(shí)際壓力單位。 壓力傳感器通常在操作范圍內產(chǎn)生線(xiàn)性響應，因而一般無(wú)需線(xiàn)性化，但需要某些硬件或軟件將傳感器的電壓輸出轉換為壓力測量。 使用的轉換公式取決于使用的傳感器類(lèi)型，并由傳感器生產(chǎn)商提供。 典型的轉換公式與激勵電壓、傳感器的全幅容量以及校準因子相關(guān)。

例如，壓力傳感器的全幅容量為10,000 PSI、校準因子為3mv/V，同時(shí)獲得10V DC激勵電壓的壓力轉換器會(huì )產(chǎn)生15 mV的測得電壓，那么測得的壓力為5000 PSI。

適當縮放信號后，必須取得適當的停止位置。 壓力傳感器（無(wú)論是絕對壓強還是表壓）都有一個(gè)視為停止位置或參考位置的一定強度。 應變計在該位置上應產(chǎn)生0伏特。 偏移歸零電路會(huì )增加或刪除應變計某一邊的電阻，從而達到這個(gè)“平衡”位置。 偏移歸零在確保壓力測量精確度上十分重要，為得到最佳結果，偏移歸零應在硬件中執行，而不是軟件。