1. 什麼是壓力?
壓力被定義為一種流體對其周圍環境所施加的力。例如,壓力P是力對面積區域A的函數 P = F/A。
一個裝滿氣體的容器裡含有無數的原子和分子，這些原子和分子不斷地在其牆上碰撞。壓強是容器壁上的這些原子和分子碰撞的平均力。此外，壓力並不一定要沿容器壁測量，也是可以以每一個平面上的單位面積來測量。舉個例子，氣壓就是空氣壓在地球上的重量的函數。因此，當海拔增加時，壓力就會減小。同樣地，當潛水員或潛艇潛入海洋深處時，壓力也會增加。
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的或動態的。在沒有運動的情況下，壓力被稱為靜態壓力。靜態壓力的例子包括氣球內部空氣的壓力或盆地內水的壓力。通常情況下，流體的運動會改變對周圍環境的作用力。這種壓力測量被稱為動態壓力測量。例如，氣球或水盆底部的壓力會隨著空氣從氣球中釋放出來，或者從盆裡流出來而變化。
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,的一個函數,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併後的總壓強,那將是29.4 PSI或2 atm。
壓力測量可以通過執行的測量類型來進一步表示。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於真空測量(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
表壓測量是相對於環境大氣壓力(圖3)。類似於絕對壓力,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,但是相對於環境大氣壓力測量,差壓測量是對一個特定的參考壓力(圖4)。同時,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
由於各種各樣的條件、範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計。通常，壓力可以轉化成某種中間形式，例如位移。然後，傳感器將這種位移轉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變計、可變電容和壓電。
所有的壓力傳感器,惠斯通電橋(基於應變)傳感器是最常見的,為不同精度、尺寸、強度、和成本約束提供解決方案。橋式傳感器用於高低壓應用場合，可以測量絕壓、表壓或差壓。所有的橋式傳感器都使用應變儀和隔膜(圖4)。
圖 4. 典型應變儀壓力傳感器的橫截面
當壓力的變化導致隔膜偏移,相應的電阻變化量是誘導應變儀, 數據採集系統可以採集相關數據 (DAQ)。這些應變壓力傳感器有幾種不同的品種: 粘結應變計,濺射應變計和半導體應變計。
在粘結應變計壓力傳感器中，金屬箔應變儀實際上是粘在測量壓力區域表面上的。這些粘結金屬箔應變儀(BFSG)是多年來一直不斷使用的行業標準,因為它們有1000 Hz快速對壓力變化的響應時間以及大範圍的工作溫度。
濺射應變計的**商將一層玻璃噴到隔膜上，然後將一個薄的金屬薄膜應變計放在傳感器的隔膜上。在壓力計元素、絕緣層和傳感隔膜之間形成一個分子鍵。這些儀表最適用於長期使用和苛刻的測量條件。
集成電路**商已經開發出了複合壓力傳感器，這種傳感器特別容易使用。這些設備通常採用半導體隔膜，在這種隔膜上生長了半導體應變儀和溫度補償傳感器。在集成電路形式中包含適當的信號調節，提供直流電壓或電流與一定範圍內的壓力成線性比例。
如果兩個金屬板之間的距離發生變化，兩個金屬板之間的電容會發生變化。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定和線性的，但對高溫很敏感，而且比大多數壓力傳感器更復雜。
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。這些晶體在振盪的時候產生電荷。壓電式壓力傳感器不需要外部激勵源，而且非常堅固。然而，傳感器需要電荷放大電路，非常容易受到震動和振動的影響.
圖 6. 壓電式壓力傳感器
壓力測量應用中傳感器故障的一個常見原因是動態影響，導致傳感器過載。一個壓力傳感器超載的典型例子就是水錘現象。當一個快速流動的流體被閥門的關閉突然停止時，就會發生這種情況。流體的動量突然被制止，這導致了流體被限制的一分鐘的拉伸。這種拉伸會產生一個壓力峰值，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衝器。通常是一個網孔過濾器或燒結材料，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。在某些應用中，保護傳感器是一個很好的選擇，但在許多測試中，峰值衝擊壓力是感興趣的區域。在這種情況下，你需要選擇一個不包含過度保護的壓力傳感器。
3. 壓力測量
如上所述，壓力傳感器的自然輸出是電壓。大多數基於應變的壓力傳感器將輸出一個小的mV電壓。這個小信號需要幾個信號條件注意，下一節將討論這個問題。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範圍內都是線性的。例如0 V和4mA對應0壓力測量。類似地，5V電壓和20mA對應於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據採集硬件。
4. 用於測量壓力的信號調節
與其他基於橋式的傳感器一樣，為了準確測量壓力，有幾個信號調節因素。重要的是要考慮以下幾點:
橋完成
激勵
遠距離感應
放大
篩選
補償
分路校準
每一項考慮都要在測量壓力下進行徹底的處理。
一旦你獲得了一個可測量的電壓信號，這個信號就必須轉換成實際的壓力單位。壓力傳感器一般產生它們的線性響應範圍操作,所以線性化通常是不必要的,但你會需要一些硬件或軟件將傳感器的輸出的電壓轉換成壓力測量。您將使用的轉換公式取決於您使用的傳感器的類型，並且將由傳感器**商提供。一個典型的轉換公式將是激勵電壓、傳感器的全尺寸容量和一個校準因子的函數。
例如,一個壓力傳感器和10000 PSI的比例因子3 mV / V和給定一個10 V直流勵磁電壓產生15 mV的測量電壓,測量壓力將5000 PSI。
當你適當地調整你的信號後，就有必要獲得一個適當的停頓位置。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。在這個位置上，應變計應該產生0 V。抵消阻力調零電路添加或刪除從一個點的應變儀來實現這一“平衡”的位置。補償無效是確保您的壓力測量的準確性的關鍵，並且最好的結果應該在硬件而不是軟件中執行。
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