如何用压力传感器测量压力
概要
学习如何用压力传感器测量压力。了解可用的传感器类型和适当的硬件，以准确地测量压力测量。
目录
- 什么是压力?
- 压力传感器
- 压力测量
- 用于测量压力的信号调节
1. 什么是压力?
压力被定义为一种流体对其周围环境所施加的力。例如,压力P是力对面积区域A的函数
P = F/A
一个装满气体的容器里含有无数的原子和分子，这些原子和分子不断地在其墙上碰撞。压强是容器壁上的这些原子和分子碰撞的平均力。此外，压力并不一定要沿容器壁测量，也是可以以每一个平面上的单位面积来测量。举个例子，气压就是空气压在地球上的重量的函数。因此，当海拔增加时，压力就会减小。同样地，当潜水员或潜艇潜入海洋深处时，压力也会增加。
压力国际单位制是帕斯卡(N / m2),但其他常见的单位压力包括磅每平方英寸(PSI),大气(atm)、bar、英寸的水银(in Hg),毫米汞(mm Hg)。
压力测量可以被描述为静态的或动态的。在没有运动的情况下，压力被称为静态压力。静态压力的例子包括气球内部空气的压力或盆地内水的压力。通常情况下，流体的运动会改变对周围环境的作用力。这种压力测量被称为动态压力测量。例如，气球或水盆底部的压力会随着空气从气球中释放出来，或者从盆里流出来而变化。
头压(或压力头)测量液体在容器或管道中的静压力。头压，P，是液体的高度，h，和重量密度，w,的一个函数,如下面的图1所示的液体中。
图 1.头压测量
潜水者在海洋中游泳的压力将是潜水者的深度乘以海洋的重量(每立方英尺64磅)。一名潜水员在33英尺深的海水中潜水，每平方英尺就会有2112磅的水。这就变成了14.7 PSI。有趣的是，海平面的大气压力也是14.7 PSI或1atm。因此，33英尺的水产生的压力和5英里的空气一样多！戴水肺的潜水员深海33英尺将承受水的重量压力和空气压力合并后的总压强,那将是29.4 PSI或2 atm。
压力测量可以通过执行的测量类型来进一步表示。有三种类型的压力测量:绝压、表压和差压。绝对压力测量是相对于真空测量(图2)。通常,缩写PAA(帕斯卡绝压)或PSIA(磅每平方英寸绝压)是用来描述绝对压力。
图 2. 绝对压力传感器
表压测量是相对于环境大气压力(图3)。类似于绝对压力,缩写PAG(帕斯卡表压)或PSIG(磅每平方英寸表压)是用来描述表压。
图 3. 表压力传感器
差压和表压相似,但是相对于环境大气压力测量,差压测量是对一个特定的参考压力(图4)。同时,缩写PAD(帕斯卡差压)或PSID(磅每平方英寸差压)是用来描述压差。
图 4. 差压传感器
2. 压力传感器
由于各种各样的条件、范围和材料的压力必须被测量，则有许多不同类型的压力传感器设计。通常，压力可以转化成某种中间形式，例如位移。然后，传感器将这种位移转换成电压或电流这样的电流输出。这种形式的三种普遍的压力传感器是应变计、可变电容和压电。
所有的压力传感器,惠斯通电桥(基于应变)传感器是常见的,为不同精度、尺寸、强度、和成本约束提供解决方案。桥式传感器用于高低压应用场合，可以测量绝压、表压或差压。所有的桥式传感器都使用应变仪和隔膜(图4)。
图 4. 典型应变仪压力传感器的横截面
当压力的变化导致隔膜偏移,相应的电阻变化量是诱导应变仪, 数据采集系统可以采集相关数据 (DAQ)。这些应变压力传感器有几种不同的品种: 粘结应变计,溅射应变计和半导体应变计。
在粘结应变计压力传感器中，金属箔应变仪实际上是粘在测量压力区域表面上的。这些粘结金属箔应变仪(BFSG)是多年来一直不断使用的行业标准,因为它们有1000 Hz快速对压力变化的响应时间以及大范围的工作温度。
溅射应变计的制造商将一层玻璃喷到隔膜上，然后将一个薄的金属薄膜应变计放在传感器的隔膜上。在压力计元素、绝缘层和传感隔膜之间形成一个分子键。这些仪表适用于长期使用和苛刻的测量条件。
集成电路制造商已经开发出了复合压力传感器，这种传感器特别容易使用。这些设备通常采用半导体隔膜，在这种隔膜上生长了半导体应变仪和温度补偿传感器。在集成电路形式中包含适当的信号调节，提供直流电压或电流与一定范围内的压力成线性比例。
如果两个金属板之间的距离发生变化，两个金属板之间的电容会发生变化。可变电容压力传感器(图5)，测量金属隔膜和固定金属板之间电容的变化。这些压力传感器通常是非常稳定和线性的，但对高温很敏感，而且比大多数压力传感器更复杂。
图 5. 电容压力传感器
压电式压力传感器(图6)利用了石英等无源晶体的电特性。这些晶体在振荡的时候产生电荷。压电式压力传感器不需要外部激励源，而且非常坚固。然而，传感器需要电荷放大电路，非常容易受到震动和振动的影响.
图 6. 压电式压力传感器
压力测量应用中传感器故障的一个常见原因是动态影响，导致传感器过载。一个压力传感器超载的典型例子就是水锤现象。当一个快速流动的流体被阀门的关闭突然停止时，就会发生这种情况。流体的动量突然被制止，这导致了流体被限制的一分钟的拉伸。这种拉伸会产生一个压力峰值，从而损坏压力传感器。减少“水锤”的影响,传感器通常安装有传感器和压力线之间的缓冲器。通常是一个网孔过滤器或烧结材料，允许加压流体通过，但不允许大量流体通过，因此可以防止水锤的压力峰值。在某些应用中，保护传感器是一个很好的选择，但在许多测试中，峰值冲击压力是感兴趣的区域。在这种情况下，你需要选择一个不包含过度保护的压力传感器。
3. 压力测量
如上所述，压力传感器的自然输出是电压。大多数基于应变的压力传感器将输出一个小的mV电压。这个小信号需要几个信号条件注意，下一节将讨论这个问题。此外,许多压力传感器输出条件0-5V信号或4 – 20mA电流。这两种输出在传感器的工作范围内都是线性的。例如0 V和4mA对应0压力测量。类似地，5V电压和20mA对应于传感器所能测量的大容量或大压力。0-5V和4 – 20mA信号可以很容易地衡量国家仪器多功能数据采集硬件。
4. 用于测量压力的信号调节
与其他基于桥式的传感器一样，为了准确测量压力，有几个信号调节因素。重要的是要考虑以下几点:
- 桥完成
- 激励
- 远距离感应
- 放大
- 筛选
- 补偿
- 分路校准
每一项考虑都要在测量压力下进行彻底的处理。
一旦你获得了一个可测量的电压信号，这个信号就必须转换成实际的压力单位。压力传感器一般产生它们的线性响应范围操作,所以线性化通常是不必要的,但你会需要一些硬件或软件将传感器的输出的电压转换成压力测量。您将使用的转换公式取决于您使用的传感器的类型，并且将由传感器制造商提供。一个典型的转换公式将是激励电压、传感器的全尺寸容量和一个校准因子的函数。O
例如,一个压力传感器和10000 PSI的比例因子3 mV / V和给定一个10 V直流励磁电压产生15 mV的测量电压,测量压力将5000 PSI。
当你适当地调整你的信号后，就有必要获得一个适当的停顿位置。压力传感器(无论是绝压还是表压)都有一定的水平，被确定为其他位置或参考位置。在这个位置上，应变计应该产生0 V。抵消阻力调零电路添加或删除从一个点的应变仪来实现这一“平衡”的位置。补偿无效是确保您的压力测量的准确性的关键，并且好的结果应该在硬件而不是软件中执行。
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