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了解可用的壓力傳感器類型和適當(dāng)?shù)挠布詼?zhǔn)確地測量壓力測量。

來源：驍銳科技瀏覽：- 發(fā)布日期：2020-08-31 13:57:52【大中小】

· 學(xué)習(xí)如何用壓力傳感器測量壓力。了解可用的傳感器類型和適當(dāng)?shù)挠布詼?zhǔn)確地測量壓力測量。

1. 什么是壓力?
壓力被定義為一種流體對其周圍環(huán)境所施加的力。例如,壓力P是力對面積區(qū)域A的函數(shù)
P = F/A

一個(gè)裝滿氣體的容器里含有無數(shù)的原子和分子，這些原子和分子不斷地在其墻上碰撞。壓強(qiáng)是容器壁上的這些原子和分子碰撞的平均力。此外，壓力并不一定要沿容器壁測量，也是可以以每一個(gè)平面上的單位面積來測量。舉個(gè)例子，氣壓就是空氣壓在地球上的重量的函數(shù)。因此，當(dāng)海拔增加時(shí)，壓力就會(huì)減小。同樣地，當(dāng)潛水員或潛艇潛入海洋深處時(shí)，壓力也會(huì)增加。

壓力國際單位制是帕斯卡(N / m2),但其他常見的單位壓力包括磅每平方英寸(PSI),大氣(atm)、bar、英寸的水銀(in Hg),毫米汞(mm Hg)。

壓力測量可以被描述為靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的。在沒有運(yùn)動(dòng)的情況下，壓力被稱為靜態(tài)壓力。靜態(tài)壓力的例子包括氣球內(nèi)部空氣的壓力或盆地內(nèi)水的壓力。通常情況下，流體的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變對周圍環(huán)境的作用力。這種壓力測量被稱為動(dòng)態(tài)壓力測量。例如，氣球或水盆底部的壓力會(huì)隨著空氣從氣球中釋放出來，或者從盆里流出來而變化。

頭壓(或壓力頭)測量液體在容器或管道中的靜壓力。頭壓，P，是液體的高度，h，和重量密度，w,的一個(gè)函數(shù),如下面的圖1所示的液體中。

圖 1.頭壓測量

潛水者在海洋中游泳的壓力將是潛水者的深度乘以海洋的重量(每立方英尺64磅)。一名潛水員在33英尺深的海水中潛水，每平方英尺就會(huì)有2112磅的水。這就變成了14.7 PSI。有趣的是，海平面的大氣壓力也是14.7 PSI或1atm。因此，33英尺的水產(chǎn)生的壓力和5英里的空氣一樣多！戴水肺的潛水員深海33英尺將承受水的重量壓力和空氣壓力合并后的總壓強(qiáng),那將是29.4 PSI或2 atm。

壓力測量可以通過執(zhí)行的測量類型來進(jìn)一步表示。有三種類型的壓力測量:絕壓、表壓和差壓。絕對壓力測量是相對于真空測量(圖2)。通常,縮寫PAA(帕斯卡絕壓)或PSIA(磅每平方英寸絕壓)是用來描述絕對壓力。

圖2. 絕對壓力傳感器

表壓測量是相對于環(huán)境大氣壓力(圖3)。類似于絕對壓力,縮寫PAG(帕斯卡表壓)或PSIG(磅每平方英寸表壓)是用來描述表壓。

圖3. 表壓力傳感器

差壓和表壓相似,但是相對于環(huán)境大氣壓力測量,差壓測量是對一個(gè)特定的參考壓力(圖4)。同時(shí),縮寫PAD(帕斯卡差壓)或PSID(磅每平方英寸差壓)是用來描述壓差。

圖4. 差壓傳感器

2. 壓力傳感器

由于各種各樣的條件、范圍和材料的壓力必須被測量，則有許多不同類型的壓力傳感器設(shè)計(jì)。通常，壓力可以轉(zhuǎn)化成某種中間形式，例如位移。然后，傳感器將這種位移轉(zhuǎn)換成電壓或電流這樣的電流輸出。這種形式的三種最普遍的壓力傳感器是應(yīng)變計(jì)、可變電容和壓電。

所有的壓力傳感器,惠斯通電橋(基于應(yīng)變)傳感器是最常見的,為不同精度、尺寸、強(qiáng)度、和成本約束提供解決方案。橋式傳感器用于高低壓應(yīng)用場合，可以測量絕壓、表壓或差壓。所有的橋式傳感器都使用應(yīng)變儀和隔膜(圖4)。

4. 典型應(yīng)變儀壓力傳感器的橫截面

當(dāng)壓力的變化導(dǎo)致隔膜偏移,相應(yīng)的電阻變化量是誘導(dǎo)應(yīng)變儀, 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以采集相關(guān)數(shù)據(jù) (DAQ)。這些應(yīng)變壓力傳感器有幾種不同的品種: 粘結(jié)應(yīng)變計(jì),濺射應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)。
在粘結(jié)應(yīng)變計(jì)壓力傳感器中，金屬箔應(yīng)變儀實(shí)際上是粘在測量壓力區(qū)域表面上的。這些粘結(jié)金屬箔應(yīng)變儀(BFSG)是多年來一直不斷使用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),因?yàn)樗鼈冇?000 Hz快速對壓力變化的響應(yīng)時(shí)間以及大范圍的工作溫度。

濺射應(yīng)變計(jì)的將一層玻璃噴到隔膜上，然后將一個(gè)薄的金屬薄膜應(yīng)變計(jì)放在傳感器的隔膜上。在壓力計(jì)元素、絕緣層和傳感隔膜之間形成一個(gè)分子鍵。這些儀表最適用于長期使用和苛刻的測量條件。

驍銳已經(jīng)開發(fā)出了復(fù)合壓力傳感器，這種傳感器特別容易使用。這些設(shè)備通常采用半導(dǎo)體隔膜，在這種隔膜上生長了半導(dǎo)體應(yīng)變儀和溫度補(bǔ)償傳感器。在集成電路形式中包含適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)節(jié)，提供直流電壓或電流與一定范圍內(nèi)的壓力成線性比例。

如果兩個(gè)金屬板之間的距離發(fā)生變化，兩個(gè)金屬板之間的電容會(huì)發(fā)生變化。可變電容壓力傳感器(圖5)，測量金屬隔膜和固定金屬板之間電容的變化。這些壓力傳感器通常是非常穩(wěn)定和線性的，但對高溫很敏感，而且比大多數(shù)壓力傳感器更復(fù)雜。

圖 5. 電容壓力傳感器

壓電式壓力傳感器(圖6)利用了石英等無源晶體的電特性。這些晶體在振蕩的時(shí)候產(chǎn)生電荷。壓電式壓力傳感器不需要外部激勵(lì)源，而且非常堅(jiān)固。然而，傳感器需要電荷放大電路，非常容易受到震動(dòng)和振動(dòng)的影響.

圖 6. 壓電式壓力傳感器
壓力測量應(yīng)用中傳感器故障的一個(gè)常見原因是動(dòng)態(tài)影響，導(dǎo)致傳感器過載。一個(gè)壓力傳感器超載的典型例子就是水錘現(xiàn)象。當(dāng)一個(gè)快速流動(dòng)的流體被閥門的關(guān)閉突然停止時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。流體的動(dòng)量突然被制止，這導(dǎo)致了流體被限制的一分鐘的拉伸。這種拉伸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓力峰值，從而損壞壓力傳感器。減少“水錘”的影響,傳感器通常安裝有傳感器和壓力線之間的緩沖器。通常是一個(gè)網(wǎng)孔過濾器或燒結(jié)材料，允許加壓流體通過，但不允許大量流體通過，因此可以防止水錘的壓力峰值。在某些應(yīng)用中，保護(hù)傳感器是一個(gè)很好的選擇，但在許多測試中，峰值沖擊壓力是感興趣的區(qū)域。在這種情況下，你需要選擇一個(gè)不包含過度保護(hù)的壓力傳感器。

3. 壓力測量

如上所述，壓力傳感器的自然輸出是電壓。大多數(shù)基于應(yīng)變的壓力傳感器將輸出一個(gè)小的mV電壓。這個(gè)小信號需要幾個(gè)信號條件注意，下一節(jié)將討論這個(gè)問題。此外,許多壓力傳感器輸出條件0-5V信號或4 – 20mA電流。這兩種輸出在傳感器的工作范圍內(nèi)都是線性的。例如0 V和4mA對應(yīng)0壓力測量。類似地，5V電壓和20mA對應(yīng)于傳感器所能測量的最大容量或最大壓力。0-5V和4 – 20mA信號可以很容易地衡量國家儀器多功能數(shù)據(jù)采集硬件。

4. 用于測量壓力的信號調(diào)節(jié)

與其他基于橋式的傳感器一樣，為了準(zhǔn)確測量壓力，有幾個(gè)信號調(diào)節(jié)因素。重要的是要考慮以下幾點(diǎn):

· 橋完成

· 激勵(lì)

· 遠(yuǎn)距離感應(yīng)

· 放大

· 篩選

· 補(bǔ)償

· 分路校準(zhǔn)

每一項(xiàng)考慮都要在測量壓力下進(jìn)行徹底的處理。

一旦你獲得了一個(gè)可測量的電壓信號，這個(gè)信號就必須轉(zhuǎn)換成實(shí)際的壓力單位。壓力傳感器一般產(chǎn)生它們的線性響應(yīng)范圍操作,所以線性化通常是不必要的,但你會(huì)需要一些硬件或軟件將傳感器的輸出的電壓轉(zhuǎn)換成壓力測量。您將使用的轉(zhuǎn)換公式取決于您使用的傳感器的類型，并且將由傳感器驍銳科技供應(yīng)商提供。一個(gè)典型的轉(zhuǎn)換公式將是激勵(lì)電壓、傳感器的全尺寸容量和一個(gè)校準(zhǔn)因子的函數(shù)。O

例如,一個(gè)壓力傳感器和10000 PSI的比例因子3 mV / V和給定一個(gè)10 V直流勵(lì)磁電壓產(chǎn)生15 mV的測量電壓,測量壓力將5000 PSI。
當(dāng)你適當(dāng)?shù)卣{(diào)整你的信號后，就有必要獲得一個(gè)適當(dāng)?shù)耐ｎD位置。壓力傳感器(無論是絕壓還是表壓)都有一定的水平，被確定為其他位置或參考位置。在這個(gè)位置上，應(yīng)變計(jì)應(yīng)該產(chǎn)生0 V。抵消阻力調(diào)零電路添加或刪除從一個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變儀來實(shí)現(xiàn)這一“平衡”的位置。補(bǔ)償無效是確保您的壓力測量的準(zhǔn)確性的關(guān)鍵，并且最好的結(jié)果應(yīng)該在硬件而不是軟件中執(zhí)行。