壓力測量的原理和應(yīng)用

作為最普通的物理量，壓力度量具有各種不同現(xiàn)場的應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師需熟悉幾種不同的技術(shù)才能選擇出適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品應(yīng)用其現(xiàn)場。

自重檢測器. 自重測試儀或活塞儀是最基本的壓力測量技術(shù)，廣泛用于壓力傳感器的刻度校準(zhǔn)。該裝置可通過活塞在流體（一般為液體）上施加壓力來校準(zhǔn)重量（質(zhì)量）。自重測試儀可被用于主要標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橛绊懢鹊囊蛩貋碜杂谫|(zhì)量、長度和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。活塞儀操作簡單；壓力可通過旋轉(zhuǎn)螺旋起重機(jī)減少測試目標(biāo)內(nèi)的流體體積而產(chǎn)生。在通過減少體積產(chǎn)生的壓力會(huì)比活塞上的總量產(chǎn)生的壓力略高時(shí)，活塞會(huì)升高直至儀表壓力和活塞底部的壓力平衡并嚴(yán)格相等。系統(tǒng)的壓力將為：
P = W/A (1)
這里：W =活塞加上砝碼的總量 A =活塞的有效面積

通過改變活塞的面積和砝碼的重量，可以完成各種壓力范圍的測量。對(duì)于高精度和精密的壓力標(biāo)度，需要采用很多修正方法，精確的面積和砝碼重量必須確定，最為關(guān)心的在于程序。很明顯，對(duì)于日復(fù)一日的壓力測量，該方法并不實(shí)際。

流體落差－壓力計(jì).

液柱的高度或兩個(gè)液柱高的位差可用來測量U型壓力計(jì)的壓力落差。 如果液體裝在開口的U型管中，每面的液位相同。當(dāng)一面施加壓力時(shí)，其液位將下降，另一面的液位會(huì)上升，直至液位高度差與施加的壓力平衡。高度差與壓力和流體的密度成比例。U型管壓力計(jì)是壓力測量的主要標(biāo)準(zhǔn)。

雖然這些壓力計(jì)僅是由玻璃組成的U形管簡單形成，并用參考刻度測量高度，但是仍存在尺寸、形狀和材料方面的各種變化。如果左面連接測量點(diǎn)，右面則面對(duì)空氣敞開，壓力計(jì)將會(huì)指示表壓，正壓值或負(fù)壓值（真空）。通過連接管的一腳至度量點(diǎn)可測量差壓。絕對(duì)壓力可根據(jù)參考面的溢出量來判斷。水銀氣壓計(jì)就是指示大氣壓的絕對(duì)壓力的例子。

在某些型號(hào)中，U管的兩個(gè)腿具有不同的直徑。一些型號(hào)在“溢出”一面配置有大直徑。而另一方面，某些U型管傾向提供更方便讀數(shù)的方案。但它們的工作原理都相同。由于安裝和觀察方面受幾何形狀的約束，使它們的應(yīng)用受到限制，這種壓力計(jì)對(duì)大部分壓力測量來說并不實(shí)用。

力求和裝置.機(jī)械壓力表和機(jī)械電子壓力傳感器都含有一個(gè)稱為力求和裝置的彈性元件，其會(huì)受施加的壓力的影響而產(chǎn)生變形。

然后形變被轉(zhuǎn)化為位移量。目前廣泛采用的各種力求和裝置，大部分是波登管和橫隔膜。波登管可提供機(jī)械壓力表中出現(xiàn)的大范圍位移運(yùn)動(dòng)，隔膜提供的小范圍位移更適合用于機(jī)電式傳感器。

力求和器件的運(yùn)動(dòng)可連接到具有線性差變的變送器，其工作原理類似電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件。作為一種選擇件，它能被連接，一般通過運(yùn)動(dòng)放大機(jī)構(gòu)傳送到電位計(jì)的游標(biāo)。減小加速度誤差，使用中需要提供平衡質(zhì)量。

機(jī)械壓力表.在機(jī)械表中，力求和裝置產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)通過機(jī)械連接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)或指示器的動(dòng)作。較好的壓力表能提供零點(diǎn)、量程、線性的調(diào)節(jié)，有時(shí)也會(huì)對(duì)機(jī)械刻度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。高精度壓力表具有特殊材料、平衡運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)償計(jì)算、鏡像刻度、刀刃指示器的優(yōu)點(diǎn)以及提高的擴(kuò)展刻度和閱讀準(zhǔn)確的特點(diǎn)。大部分精密機(jī)械壓力表、測試表都用于壓力校準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，但對(duì)于實(shí)際中需要的遠(yuǎn)端感測、監(jiān)控或記錄，它們是不切合實(shí)際的。這種的機(jī)械聯(lián)接也受動(dòng)態(tài)壓力測量的頻率響應(yīng)限制。

機(jī)電式壓力傳感器.機(jī)電壓力傳感器或壓力變換器可以將力求和裝置產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這些傳感器非常實(shí)用，比機(jī)械壓力儀表更有實(shí)用性，特別是需要數(shù)字信號(hào)的現(xiàn)場和控制系統(tǒng)應(yīng)用中。在設(shè)計(jì)優(yōu)良的變換器中，電輸出可直接轉(zhuǎn)換各壓力范圍的比例電量。對(duì)于快速的變形－動(dòng)態(tài)－壓力測量系統(tǒng)而言，變換器的頻率特性顯得尤其重要。

壓力傳感器的類型

壓力傳感器分為各種參考?jí)毫x型器件：表壓型（psig）、絕對(duì)型（psia）、差分型（psid）和封壓型（psis）。各種類型都是將力求和裝置的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移量，然后通過幾種變換方法將位移量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。最普通的是應(yīng)變儀、可變電容和壓電器件。

應(yīng)變儀變換器.應(yīng)變儀式變換器是基于金屬和硅半導(dǎo)體應(yīng)變儀的原理。該類測量器件離散分布在受力元件或自由感測裝置的表面。測量材料可噴濺在隔膜上或擴(kuò)散至硅隔膜結(jié)構(gòu)中。應(yīng)變儀變換器中使用的最普通力求和裝置是隔膜，一般采用平鋪和蝕刻。應(yīng)變儀也被用于波登管和膜盒裝配。

應(yīng)變儀的材料在應(yīng)力施加時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的阻抗變化。該變化由三種效應(yīng)的累加效果決定。首先，當(dāng)導(dǎo)體長度變化時(shí)，它承受的阻抗變化約與其長度變化成比例。其二，受Poisson效應(yīng)的一致性影響，導(dǎo)體長度的變化會(huì)引起其交叉面積的變化和引起與變化面積成比例的阻抗變化。其三，材料的壓阻特性，在施加應(yīng)力時(shí)大部分材料的壓阻系數(shù)是變量。所有的應(yīng)變儀材料都存在這三個(gè)特性，但對(duì)于不同材料壓阻效應(yīng)變化很廣。

金屬應(yīng)變儀為線網(wǎng)或薄金屬片構(gòu)造的圖案，它們襯背在特殊材料上并覆蓋有保護(hù)膜。

這種設(shè)計(jì)允許在小區(qū)域中采用靈活的長度（大的R）。它們由特定的合金制成，具有較高的壓阻效應(yīng)。硅應(yīng)變儀被涂上壓阻材料，以達(dá)到壓阻效應(yīng)和熱阻效應(yīng)的理想配合。應(yīng)變儀材料可通過它們的應(yīng)力靈敏度來表現(xiàn)其特性，但構(gòu)成應(yīng)變儀后，它們的特性通過 “應(yīng)力因子”表示，其被定義為相關(guān)的阻抗變化除以應(yīng)力。

束縛型應(yīng)變儀.離散金屬或硅應(yīng)變片通常被束縛（膠合）在需測量應(yīng)力的表面，產(chǎn)生的輸出與它們作用區(qū)域的平均應(yīng)力成比例（見圖6）。典型的應(yīng)變因子在2左右；而1 µin/in應(yīng)變力將產(chǎn)生2 µ / 的變化。非應(yīng)變時(shí)阻抗變化從120 到幾百歐姆。因?yàn)榻饘倬€和金屬片的長度或高度是非應(yīng)變阻抗必須的參數(shù)，所以金屬應(yīng)變儀的體積不可能做得太小。

導(dǎo)線的一半伸展而另一半則較短。自由型與束縛型相比的主要優(yōu)點(diǎn)在于具有高的應(yīng)力因子，可以達(dá)到3。因?yàn)闊o膠合要求，它們可以設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品可以用于高溫方面。自由型應(yīng)變儀的發(fā)展趨勢是大體積。

噴濺式應(yīng)變儀.應(yīng)變儀材料可被噴濺在非傳導(dǎo)隔膜上以形成應(yīng)變儀。位置和方向可通過掩?？刂?，并且由噴濺工藝產(chǎn)生的分子粘結(jié)可以消除粘合粘結(jié)中產(chǎn)生的任意問題。應(yīng)變因子類似于自由型應(yīng)變儀。該產(chǎn)品對(duì)表面準(zhǔn)備和其它工藝控制的要求相當(dāng)苛刻。生產(chǎn)產(chǎn)品具有硅隔膜的優(yōu)點(diǎn)，諸如優(yōu)異的線性和高性能的頻率以及金屬儀表的優(yōu)良溫度特性。

半導(dǎo)體應(yīng)變儀.

這些器件由半導(dǎo)體硅制成。它們的應(yīng)變因子取決于攙雜量的大小－極微弱的攙雜量、高電阻系數(shù)的材料就會(huì)形成較高的應(yīng)變因子。然而，它也有較高的熱靈敏性，會(huì)引起阻抗和應(yīng)變因子受溫度的很大影響。大部分?jǐn)v雜的硅應(yīng)變儀都能形成100–200的應(yīng)變因子，該范圍值受溫度影響不大。分散硅應(yīng)變儀正好可用作金屬應(yīng)變儀，粘合到希望測試的應(yīng)力點(diǎn)表面從而對(duì)壓力度量提供最大的靈敏度。另外，對(duì)于更高的應(yīng)變因子（其能提供更高的靈敏度）而言，這種構(gòu)造具有更小的尺寸，允許微型化的結(jié)構(gòu)。

束縛型離散式硅應(yīng)變儀.早期的硅應(yīng)變儀變送器采用離散式硅應(yīng)變儀粘合在受力元件的表面。這些裝置類似于束縛型金屬應(yīng)變儀，但硅應(yīng)變儀能提供更寬的輸出范圍和更小的溫度誤差。此外，硅應(yīng)變儀比金屬應(yīng)變儀尺寸小，故能生產(chǎn)出更小的產(chǎn)品。

擴(kuò)散隔膜傳感器.離散應(yīng)變儀，不管金屬的還是硅的，都對(duì)裝配要求煩雜的微觀裝配，但擴(kuò)散隔膜傳感器能采用半導(dǎo)體掩模工藝技術(shù)制造。這種方法對(duì)于線性和靈敏度的選擇提供精確的應(yīng)變位置和方向的定位，允許極微型生產(chǎn)并且減少裝配成本。它也能消除除粘合和應(yīng)用中出現(xiàn)的變數(shù)。

隔膜刻蝕傳感器.早期的擴(kuò)散硅隔膜壓力變送器采用簡單、一致厚度的平坦硅隔膜。目前硅制造技術(shù)（MEMS）允許隔膜機(jī)械設(shè)計(jì)中有更大的靈活性。各向異性的蝕刻能對(duì)硅晶體中的蝕刻方向提供精密的控制。非常小且形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也能制造，允許隔膜結(jié)合所需的線性、靈敏度和頻率響應(yīng)特性成形。

可變的容性變換器.當(dāng)一塊電容板被相關(guān)的其它部件取代而放置時(shí)，兩板間的電容量就會(huì)發(fā)生變化。如果一塊板是壓力傳感器的薄膜，那么電容就與施加在其上的壓力有關(guān)。容量的變化即可采用改變振蕩器的頻率，也可通過橋式電路檢測。如果絕緣材料保持恒定，這種裝置就會(huì)形成一個(gè)重復(fù)性很高的變換器。其主要優(yōu)點(diǎn)是滯后低、線性優(yōu)良、穩(wěn)定和重復(fù)性好，具有靜態(tài)壓力測量能力以及準(zhǔn)確的數(shù)字輸出。其缺點(diǎn)是需要有復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。

壓電變換器

壓電式(PE)壓力變換器，采用堆積的壓電晶體或陶瓷元件將力求和器件的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電輸出。石英、電氣石和其它幾種自然晶體在施加應(yīng)力時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電荷。特別說明的是陶瓷能夠人工偏振為壓電體，并且它們比自然晶體有更高的靈敏性。與應(yīng)變儀變換器不同，PE裝置無需外置激勵(lì)源。因?yàn)樗鼈兙哂懈咻敵鲎杩购偷托盘?hào)電平，它們僅需要諸如靜電放大計(jì)和屏蔽噪音電纜這樣的特殊信號(hào)調(diào)節(jié)器件。

因此對(duì)于PE變換器的設(shè)計(jì)（ICP或電壓模式）需要在變換器殼體中包括完整的前置放大器。使用中，輸出被放大（毫伏級(jí)）成低阻抗的電信號(hào)，這樣可以極大地減少電纜引起的問題和簡化信號(hào)調(diào)節(jié)。集成放大器要求外置的恒流源，采用相同的雙導(dǎo)體作為信號(hào)電路。信號(hào)調(diào)節(jié)裝置通過模塊化的電容器隔斷電壓源影響并傳送AC信號(hào)。

由于PE變換器是自生型，其根據(jù)應(yīng)力的變化產(chǎn)生電荷，故它們不能采用DC電源或穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)裝置。它們本身存在受信號(hào)調(diào)節(jié)器的低頻時(shí)間常數(shù)影響的低頻衰減截止頻率。

它們的主要優(yōu)點(diǎn)是其堅(jiān)固性，以及無集成電子器件，并可在高溫現(xiàn)場使用。然而，如果無合適的溫度補(bǔ)償，它們對(duì)沖擊和振動(dòng)的敏感性以及受溫度的變化影響也不容易消除。

其它電化學(xué)傳感器.實(shí)際上，將運(yùn)動(dòng)量轉(zhuǎn)化電信號(hào)的每種技術(shù)，都存在一定的缺點(diǎn)，不定的阻抗、力平衡、變化的導(dǎo)線、振動(dòng)柱體和探頭、壓電薄膜和霍爾效應(yīng)，這些技術(shù)一直在壓力變換器設(shè)計(jì)中嘗試。目前，幾種光纖傳感器的品種也出現(xiàn)，這種技術(shù)利用放射系數(shù)、相位系數(shù)和微形變的改變將感測的壓力轉(zhuǎn)換為光信號(hào)變化，其被激勵(lì)并通過光纖傳輸信號(hào)。這些傳感器具有在高振幅電磁場或脈沖環(huán)境下使用的優(yōu)點(diǎn)。一些“混合”系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的變換器，然后將電輸出轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，用于光纖傳送。

掃描儀.多通道掃描壓力測量系統(tǒng)是多點(diǎn)要求測量的最好選擇。有機(jī)械和電子兩種類型。機(jī)械掃描器僅有一個(gè)傳感器，其可以連續(xù)地從每個(gè)測量點(diǎn)機(jī)械地發(fā)送數(shù)據(jù)到傳感器。電子掃描器在公共結(jié)構(gòu)中采用很多傳感器，其可以通過電方式多時(shí)序地將數(shù)據(jù)傳送到采集設(shè)備。在這兩種類型中，都將測量處管道產(chǎn)生的壓力發(fā)射到一個(gè)傳感器。

壓力掃描閥.壓力掃描閥是一種氣動(dòng)開關(guān)，可以按時(shí)序?qū)⒍嗤ǖ缐毫魉偷叫盘?hào)變換器。最通用的設(shè)計(jì)是利用相對(duì)旋轉(zhuǎn)的部件進(jìn)行表面拍打表匹配。為了盡量減小氣體目標(biāo)體積受壓力變化的影響，可以將變換器直接安裝在離閥很近的地方。閥轉(zhuǎn)動(dòng)體由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閥位置由旋轉(zhuǎn)編碼器指示。產(chǎn)品可通過對(duì)一個(gè)或多個(gè)端口提供已知的精確壓力并結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)行周期性校準(zhǔn)。最大掃描速率取決于要求的精度。如果每個(gè)測量點(diǎn)停留的時(shí)間在壓力平衡中足夠長，則精度為變換器的精度。平衡時(shí)間是移動(dòng)體積和壓力變換量的函數(shù)。對(duì)于氣動(dòng)式和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其典型的掃描速率為每秒5–10個(gè)測量點(diǎn)。多通道掃描儀可以按時(shí)序提供快速有效的掃描速率。

電子壓力掃描儀.如果將微型半導(dǎo)體應(yīng)變儀和固態(tài)電子多路技術(shù)結(jié)合在一個(gè)測量系統(tǒng)中，則能比機(jī)械掃描儀提供更高的掃描速率。多路變換器陣列，低能多路復(fù)用器，共用腔中的儀器放大器可以彌補(bǔ)典型系統(tǒng)的缺陷。有些系統(tǒng)也包括能自動(dòng)轉(zhuǎn)換目標(biāo)到每一個(gè)傳感器，以校準(zhǔn)任意時(shí)間壓力的氣動(dòng)閥。校準(zhǔn)壓力可采用多種形式的校準(zhǔn)。由于機(jī)械開關(guān)無壓力通過的，故當(dāng)移動(dòng)的體積穩(wěn)定時(shí)不需要延遲測量。每個(gè)變換器始終都處在測量狀態(tài)，其輸出可通過電子多路復(fù)用器掃描進(jìn)行周期采樣。掃描速度為10,000 至 20,000 sps。當(dāng)然，測量點(diǎn)和傳感器間的連接管道仍需采用低通濾波器。