壓力測量的原理和應用

壓力測量的原理和應用

作為最普通的物理量，壓力度量具有各種不同現場的應用。設計工程師需熟悉幾種不同的技術才能選擇出適當的產品應用其現場。

    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，廣泛用于壓力傳感器的刻度校準。該裝置可通過活塞在流體（一般為液體）上施加壓力來校準重量（質量）。自重測試儀可被用于主要標準，因為影響精度的因素來自于質量、長度和時間的標準。活塞儀操作簡單；壓力可通過旋轉螺旋起重機減少測試目標內的流體體積而產生。在通過減少體積產生的壓力會比活塞上的總量產生的壓力略高時，活塞會升高直至儀表壓力和活塞底部的壓力平衡并嚴格相等。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。對于高精度和精密的壓力標度，需要采用很多修正方法，精確的面積和砝碼重量必須確定，最為關心的在于程序。很明顯，對于日復一日的壓力測量，該方法并不實際。

    流體落差－壓力計.

    液柱的高度或兩個液柱高的位差可用來測量U型壓力計的壓力落差。如果液體裝在開口的U型管中，每面的液位相同。當一面施加壓力時，其液位將下降，另一面的液位會上升，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型管壓力計是壓力測量的主要標準。

    雖然這些壓力計僅是由玻璃組成的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，右面則面對空氣敞開，壓力計將會指示表壓，正壓值或負壓值（真空）。通過連接管的一腳至度量點可測量差壓。絕對壓力可根據參考面的溢出量來判斷。水銀氣壓計就是指示大氣壓的絕對壓力的例子。

    在某些型號中，U管的兩個腿具有不同的直徑。一些型號在“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，使它們的應用受到限制，這種壓力計對大部分壓力測量來說并不實用。

    力求和裝置.機械壓力表和機械電子壓力傳感器都含有一個稱為力求和裝置的彈性元件，其會受施加的壓力的影響而產生變形。

    然后形變被轉化為位移量。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。波登管可提供機械壓力表中出現的大范圍位移運動，隔膜提供的小范圍位移更適合用于機電式傳感器。

    力求和器件的運動可連接到具有線性差變的變送器，其工作原理類似電機械轉換元件。作為一種選擇件，它能被連接，一般通過運動放大機構傳送到電位計的游標。減小加速度誤差，使用中需要提供平衡質量。

    機械壓力表.在機械表中，力求和裝置產生的運動通過機械連接轉換為數字信號或指示器的動作。較好的壓力表能提供零點、量程、線性的調節(jié)，有時也會對機械刻度進行溫度補償。高精度壓力表具有特殊材料、平衡運動、補償計算、鏡像刻度、刀刃指示器的優(yōu)點以及提高的擴展刻度和閱讀準確的特點。大部分精密機械壓力表、測試表都用于壓力校準中的標準轉換，但對于實際中需要的遠端感測、監(jiān)控或記錄，它們是不切合實際的。這種的機械聯接也受動態(tài)壓力測量的頻率響應限制。

    機電式壓力傳感器.機電壓力傳感器或壓力變換器可以將力求和裝置產生的運動轉換為電信號。這些傳感器非常實用，比機械壓力儀表更有實用性，特別是需要數字信號的現場和控制系統(tǒng)應用中。在設計優(yōu)良的變換器中，電輸出可直接轉換各壓力范圍的比例電量。對于快速的變形－動態(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壓力選型器件：表壓型（psig）、絕對型（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轉換為位移量，然后通過幾種變換方法將位移量轉換為電信號。最普通的是應變儀、可變電容和壓電器件。

    應變儀變換器.應變儀式變換器是基于金屬和硅半導體應變儀的原理。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散至硅隔膜結構中。應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。應變儀也被用于波登管和膜盒裝配。

    應變儀的材料在應力施加時會出現明顯的阻抗變化。該變化由三種效應的累加效果決定。首先，當導體長度變化時，它承受的阻抗變化約與其長度變化成比例。其二，受Poisson效應的一致性影響，導體長度的變化會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，在施加應力時大部分材料的壓阻系數是變量。所有的應變儀材料都存在這三個特性，但對于不同材料壓阻效應變化很廣。

    金屬應變儀為線網或薄金屬片構造的圖案，它們襯背在特殊材料上并覆蓋有保護膜。

    這種設計允許在小區(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。硅應變儀被涂上壓阻材料，以達到壓阻效應和熱阻效應的理想配合。應變儀材料可通過它們的應力靈敏度來表現其特性，但構成應變儀后，它們的特性通過 “應力因子”表示，其被定義為相關的阻抗變化除以應力。

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

    導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)點在于具有高的應力因子，可以達到3。因為無膠合要求，它們可以設計和制造產品可以用于高溫方面。自由型應變儀的發(fā)展趨勢是大體積。

    噴濺式應變儀.應變儀材料可被噴濺在非傳導隔膜上以形成應變儀。位置和方向可通過掩�？刂�，并且由噴濺工藝產生的分子粘結可以消除粘合粘結中產生的任意問題。應變因子類似于自由型應變儀。該產品對表面準備和其它工藝控制的要求相當苛刻。生產產品具有硅隔膜的優(yōu)點，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。

    半導體應變儀.

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

    束縛型離散式硅應變儀.早期的硅應變儀變送器采用離散式硅應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變儀，但硅應變儀能提供更寬的輸出范圍和更小的溫度誤差。此外，硅應變儀比金屬應變儀尺寸小，故能生產出更小的產品。

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

    隔膜刻蝕傳感器.早期的擴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（MEMS）允許隔膜機械設計中有更大的靈活性。各向異性的蝕刻能對硅晶體中的蝕刻方向提供精密的控制。非常小且形狀復雜的結構也能制造，允許隔膜結合所需的線性、靈敏度和頻率響應特性成形。

    可變的容性變換器.當一塊電容板被相關的其它部件取代而放置時，兩板間的電容量就會發(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。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，這種裝置就會形成一個重復性很高的變換器。其主要優(yōu)點是滯后低、線性優(yōu)良、穩(wěn)定和重復性好，具有靜態(tài)壓力測量能力以及準確的數字輸出。其缺點是需要有復雜的電路結構。

    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動轉換為電輸出。石英、電氣石和其它幾種自然晶體在施加應力時都會產生電荷。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。與應變儀變換器不同，PE裝置無需外置激勵源。因為它們具有高輸出阻抗和低信號電平，它們僅需要諸如靜電放大計和屏蔽噪音電纜這樣的特殊信號調節(jié)器件。

    因此對于PE變換器的設計（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）成低阻抗的電信號，這樣可以極大地減少電纜引起的問題和簡化信號調節(jié)。集成放大器要求外置的恒流源，采用相同的雙導體作為信號電路。信號調節(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。

    由于PE變換器是自生型，其根據應力的變化產生電荷，故它們不能采用DC電源或穩(wěn)態(tài)調節(jié)裝置。它們本身存在受信號調節(jié)器的低頻時間常數影響的低頻衰減截止頻率。

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

    其它電化學傳感器.實際上，將運動量轉化電信號的每種技術，都存在一定的缺點，不定的阻抗、力平衡、變化的導線、振動柱體和探頭、壓電薄膜和霍爾效應，這些技術一直在壓力變換器設計中嘗試。目前，幾種光纖傳感器的品種也出現，這種技術利用放射系數、相位系數和微形變的改變將感測的壓力轉換為光信號變化，其被激勵并通過光纖傳輸信號。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。一些“混合”系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的變換器，然后將電輸出轉換為光信號，用于光纖傳送。

    掃描儀.多通道掃描壓力測量系統(tǒng)是多點要求測量的最好選擇。有機械和電子兩種類型。機械掃描器僅有一個傳感器，其可以連續(xù)地從每個測量點機械地發(fā)送數據到傳感器。電子掃描器在公共結構中采用很多傳感器，其可以通過電方式多時序地將數據傳送到采集設備。在這兩種類型中，都將測量處管道產生的壓力發(fā)射到一個傳感器。

    壓力掃描閥.壓力掃描閥是一種氣動開關，可以按時序將多通道壓力傳送到信號變換器。最通用的設計是利用相對旋轉的部件進行表面拍打表匹配。為了盡量減小氣體目標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。閥轉動體由步進電機驅動，閥位置由旋轉編碼器指示。產品可通過對一個或多個端口提供已知的精確壓力并結合系統(tǒng)進行周期性校準。最大掃描速率取決于要求的精度。如果每個測量點停留的時間在壓力平衡中足夠長，則精度為變換器的精度。平衡時間是移動體積和壓力變換量的函數。對于氣動式和噴氣發(fā)動機而言，其典型的掃描速率為每秒5–10個測量點。多通道掃描儀可以按時序提供快速有效的掃描速率。

    電子壓力掃描儀.如果將微型半導體應變儀和固態(tài)電子多路技術結合在一個測量系統(tǒng)中，則能比機械掃描儀提供更高的掃描速率。多路變換器陣列，低能多路復用器，共用腔中的儀器放大器可以彌補典型系統(tǒng)的缺陷。有些系統(tǒng)也包括能自動轉換目標到每一個傳感器，以校準任意時間壓力的氣動閥。校準壓力可采用多種形式的校準。由于機械開關無壓力通過的，故當移動的體積穩(wěn)定時不需要延遲測量。每個變換器始終都處在測量狀態(tài)，其輸出可通過電子多路復用器掃描進行周期采樣。掃描速度為10,000 至 20,000 sps。當然，測量點和傳感器間的連接管道仍需采用低通濾波器。