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圍每單位面積施加的力。例如， 壓強P是力F和面積A的函數(shù)。

裝滿瓦斯的容器包含無數(shù)個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(shù)。 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)和動態(tài)。 沒有運動時的壓強即為靜態(tài)壓強。 靜態(tài)壓強的例子包括氣球內(nèi)的壓強或水盆內(nèi)水壓。 通常，流體的運動會改變其施加給周圍的力。 這種壓強測量稱為動態(tài)壓強測量。 例如，氣球內(nèi)或水盆底部的壓強會隨著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(shù)，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所進行的測量類型進一步加以描述。 壓強測量有三種類型：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PAA（帕斯卡絕對壓強）或PSIA（磅每平方英寸絕對壓強）來描述。

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）。 類似于絕對壓強，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）來描述。

圖3.表壓傳感器[3]

差壓類似于表壓，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PAD（帕斯卡差壓）或PSID（磅每平方英寸差壓）來描述。

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(shè)計有許多類型。 通常壓強可以轉(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、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、堅固性和成本需求。 橋式傳感器可以測量高壓和低壓應(yīng)用的絕對壓強、表壓或差壓。 所有橋式傳感器均使用應(yīng)變計和膜片（圖4）。

圖4. 典型應(yīng)變計壓力傳感器的截面[3]

當(dāng)壓力的變化引起膜片偏轉(zhuǎn)時，應(yīng)變計的電阻會發(fā)生相應(yīng)變化，這個變化可以通過數(shù)據(jù)采集(DAQ)系統(tǒng)進行測量。 這些應(yīng)變計壓力傳感器分為不同類型：粘貼式應(yīng)變計、濺射應(yīng)變計和半導(dǎo)體應(yīng)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(wěn)定、線性度較好，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(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會產(chǎn)生電荷。 壓電式壓力傳感器無需外部激勵源，且十分堅固。 但這些傳感器確實需要電荷放大電路，且十分容易受到?jīng)_擊和震動的影響。

圖6. 壓電式壓力傳感器[4]

動態(tài)沖擊是壓強測量應(yīng)用中傳感器失敗的一個常見原因，導(dǎo)致傳感器過載。 壓力傳感器過載的一個典型范例就是水錘現(xiàn)象。 快速移動的液體因閥門關(guān)閉而突然停止時就會發(fā)生水錘現(xiàn)象。 液體的動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。 這種伸展會產(chǎn)生壓力突波，可能會損壞壓力傳感器。 為減少“水錘”的影響，傳感器和壓力線之間通常安裝一個減震器。 減震器通常是一種篩網(wǎng)過濾器或燒結(jié)材料，允許加壓液體通過，但不允許大量液體通過，因此可以在發(fā)生水錘現(xiàn)象時避免壓力突波。 減震器在某些應(yīng)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(yīng)該選擇不包含過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(yīng)變的壓力傳感器會輸出很小的mV電壓。 這個小信號要求多個信號調(diào)理考慮因素，將在下一節(jié)詳細說明。 此外，許多壓力傳感器還會輸出經(jīng)過調(diào)理的0-5 V信號或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對應(yīng)0壓力測量。 同樣，5 V和20 mA對應(yīng)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NI多功能數(shù)據(jù)采集(DAQ)硬件輕松測量。

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4. 用于測量壓力的信號調(diào)理

與其他基于電橋的傳感器一樣，需要考慮多個信號調(diào)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

上述每個因素都在底部鏈接的“使用應(yīng)變計進行應(yīng)變測量”教程中進行了詳細說明。

一旦獲得可測量電壓信號后，這個信號必須轉(zhuǎn)換為實際壓力單位。 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，同時獲得10V DC激勵電壓的壓力轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生15 mV的測得電壓，那么測得的壓力為5000 PSI。

適當(dāng)縮放信號后，必須取得適當(dāng)?shù)耐Ｖ刮恢谩?壓力傳感器（無論是絕對壓強還是表壓）都有一個視為停止位置或參考位置的一定強度。 應(yīng)變計在該位置上應(yīng)產(chǎn)生0伏特。 偏移歸零電路會增加或刪除應(yīng)變計某一邊的電阻，從而達到這個“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(jié)果，偏移歸零應(yīng)在硬件中執(zhí)行，而不是軟件。