怎么运用压力传感器丈量压强

1. 什么是压强？

压强是指流体对其周围每单位面积施加的力。例如， 压强P是力F和面积A的函数。

装满瓦斯的容器包括无数个不断碰击容器壁原子和分子。 压强等于容器壁单位面积遭到来自这些原子和分子的力的平均值。 此外，压强纷歧定要沿容器壁丈量，能够经过任何平面上每单位面积所受的力测得。 例如，气压便是对地面下压的空气分量的函数。 因此，海拔越高，压强越低。 相同，潜水员或潜水艇潜入海洋越深，压强越大。

压强的​​SI单位是帕斯卡(N/m2)，其他常用的压强单位还包括磅/每平方英寸(PSI)、大气压(atm)、bar、英寸汞柱(in Hg)以及毫米汞柱(mm Hg)。

压强丈量可分为静态和动态。 没有运动时的压强即为静态压强。 静态压强的比方包括气球内的压强或水盆内水压。 一般，流体的运动会改动其施加给周围的力。 这种压强丈量称为动态压强丈量。 例如，气球内或水盆底部的压强会跟着开释气球中的空气或倒出水盆中的水而改动。

压强水头（压头）丈量的是水槽或水管中液体的静态压强。 压强水头P仅取决于所测液体的高度h和分量密度w的函数，如图1所示。

图1. 压强水头丈量

大海中潜水员所受的压强等于潜水员所在的深度乘以海洋分量（64磅/立方英尺）。 潜水深度为33英尺的潜水员，其身体每平方英尺要接受2112磅的水， 等于14.7 PSI。 风趣的是，海平面的大气压也是14.7 PSI或1 atm。 因此，33英尺深的水发生的压强与5英里的空气相同！ 潜水33英尺深的潜水员所接受的总压强等于空气分量与水发生的压强之和，即29.4 PSI或2 atm。

压强丈量还能够经过所进行的丈量类型进一步加以描绘。 压强丈量有三种类型：肯定压强、表压、差压。 肯定压强是指真空条件下的压强（图2）。 肯定压强一般运用缩写PAA（帕斯卡肯定压强）或PSIA（磅每平方英寸肯定压强）来描绘。

图2. 肯定压强传感器[3]

表压是指相对于环境大气压的压强（图3）。 类似于肯定压强，表压一般运用字母缩写PAG（帕斯卡表压）或PSIG（磅每平方英寸表压）来描绘。

图3.表压传感器[3]

差压类似于表压，但与丈量环境大气压不同，差压是丈量具体参阅压强（图4）。 差压一般运用字母缩写PAD（帕斯卡差压）或PSID（磅每平方英寸差压）来描绘。

图4. 差压传感器[3]

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2. 压力传感器

因为有必要丈量的压强的情况、规模及资料存在很大差异，因此压力传感器的规划有许多类型。 一般压强能够转化为某种中心方式，比方位移。 然后传感器将位移转化成电输出，比方电压或电流。 三种最常用的压力传感器类型是应变计、可变电容、压电式传感器。

在一切压力传感器中，惠斯通电桥（根据应变）传感器是最常见的一种，供给的解决方案能够满意不同的精度、尺度、巩固性和本钱需求。 桥式传感器能够丈量高压和低压运用的肯定压强、表压或差压。 一切桥式传感器均运用应变计和膜片（图4）。

图4. 典型应变计压力传感器的截面[3]

当压力的改变引起膜片偏转时，应变计的电阻会发生相应改变，这个改变能够经过数据收集(DAQ)体系进行丈量。 这些应变计压力传感器分为不同类型：张贴式应变计、溅射应变计和半导体应变计。

假如两块金属板间隔发生改变，则两块金属板之间的电容也会随之改变。 可变电容压力传感器（图5）可丈量金属膜片和固定金属板之间的电容改变。 这些压力传感器一般较为安稳、线性度较好，但它们对高温非常灵敏，其装置也比大部分压力传感器更为杂乱。

图5. %&&&&&%压力传感器[4]

压电式压力传感器（图6）运用天然发生晶体（如石英）的电气特点。 这些晶体在遭到压力时会发生电荷。 压电式压力传感器无需外部鼓励源，且非常巩固。 但这些传感器的确需求电荷扩大电路，且非常简单遭到冲击和轰动的影响。

图6. 压电式压力传感器[4]

动态冲击是压强丈量运用中传感器失利的一个常见原因，导致传感器过载。 压力传感器过载的一个典型典范便是水锤现象。 快速移动的液体因阀门封闭而忽然中止时就会发生水锤现象。 液体的动力因为忽然遭到限制，导致液体管壁发生忽然扩展的现象。 这种扩展会发生压力突波，可能会损坏压力传感器。 为削减“水锤”的影响，传感器和压力线之间一般装置一个减震器。 减震器一般是一种筛网过滤器或烧结资料，答应加压液体经过，但不答应很多液体经过，因此能够在发生水锤现象时防止压力突波。 减震器在某些运用中是维护传感器的好挑选，但许多测验中，峰值冲击压力正是需求测验的目标。 这种情况下，就应该挑选不包括过载维护的压力传感器。 [3]

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3. 压力丈量

如上所述，压力传感器的天然输出是电压。 许多根据应变的压力传感器会输出很小的mV电压。 这个小信号要求多个信号调度考虑要素，将在下一节具体阐明。 此外，许多压力传感器还会输出经过调度的0-5 V信号或4-20 mA电流。 在传感器的作业规模内，这两种输出都是线性的。 例如，0 V和4 mA对应0压力丈量。 相同，5 V和20 mA对应传感器可丈量的全幅容量，或最大压力。 0-5 V和4-20 mA信号都可经过NI多功能数据收集(DAQ)硬件轻松丈量。

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4. 用于丈量压力的信号调度

与其他根据电桥的传感器相同，需求考虑多个信号调度要素，以便准确地丈量压力。 下列要素非常重要：

• 桥完好
• 鼓励
• 遥感
• 扩大
• 滤波
• 偏移
• 分流校准

上述每个要素都在底部链接的“运用应变计进行应变丈量”教程中进行了具体阐明。

一旦获得可丈量电压信号后，这个信号有必要转化为实践压力单位。 压力传感器一般在操作规模内发生线性呼应，因此一般无需线性化，但需求某些硬件或软件将传感器的电压输出转化为压力丈量。 运用的转化公式取决于运用的传感器类型，并由传感器生产商供给。 典型的转化公式与鼓励电压、传感器的全幅容量以及校准因子相关。

例如，压力传感器的全幅容量为10,000 PSI、校准因子为3mv/V，一起获得10V DC鼓励电压的压力转化器会发生15 mV的测得电压，那么测得的压力为5000 PSI。

恰当缩放信号后，有必要获得恰当的中止方位。 压力传感器（无论是肯定压强仍是表压）都有一个视为中止方位或参阅方位的必定强度。 应变计在该方位上应发生0伏特。 偏移归零电路会添加或删去应变计某一边的电阻，然后到达这个“平衡”方位。 偏移归零在保证压力丈量准确度上非常重要，为得到最佳成果，偏移归零应在硬件中履行，而不是软件。