压力丈量的原理和使用

作为最一般的物理量，压力衡量具有各种不同现场的运用。规划工程师需了解几种不同的技能才干挑选出恰当的产品运用其现场。

自重检测器. 自重测验仪或活塞仪是最基本的压力丈量技能，广泛用于压力传感器的刻度校准。该设备可经过活塞在流体（一般为液体）上施加压力来校准分量（质量）。自重测验仪可被用于首要规范，因为影响精度的要素来自于质量、长度和时刻的规范。活塞仪操作简略；压力可经过旋转螺旋起重机削减测验方针内的流体体积而发生。在经过削减体积发生的压力会比活塞上的总量发生的压力略高时，活塞会升高直至外表压力和活塞底部的压力平衡并严厉持平。体系的压力将为：
P = W/A (1)
这儿：W =活塞加上砝码的总量 A =活塞的有用面积

经过改动活塞的面积和砝码的分量，能够完结各种压力规模的丈量。关于高精度和精细的压力标度，需求选用许多批改办法，准确的面积和砝码分量有必要确认，最为关怀的在于程序。很显着，关于日复一日的压力丈量，该办法并不实践。

流体落差－压力计.

液柱的高度或两个液柱高的位差可用来丈量U型压力计的压力落差。 假如液体装在开口的U型管中，每面的液位相同。当一面施加压力时，其液位将下降，另一面的液位会上升，直至液位高度差与施加的压力平衡。高度差与压力和流体的密度成份额。U型管压力计是压力丈量的首要规范。

尽管这些压力计仅是由玻璃组成的U形管简略构成，并用参阅刻度丈量高度，可是仍存在尺度、形状和资料方面的各种改动。假如左边衔接丈量点，右面则面临空气打开，压力计将会指示表压，正压值或负压值（真空）。经过衔接收的一脚至衡量点可丈量差压。肯定压力可依据参阅面的溢出量来判别。水银气压计便是指示大气压的肯定压力的比如。

在某些类型中，U管的两个腿具有不同的直径。一些类型在“溢出”一面装备有大直径。而另一方面，某些U型管倾向供给更便利读数的计划。但它们的作业原理都相同。因为设备和调查方面受几许形状的捆绑，使它们的运用受到约束，这种压力计对大部分压力丈量来说并不有用。

力求和设备.机械压力表和机械电子压力传感器都含有一个称为力求和设备的弹性元件，其会受施加的压力的影响而发生变形。

然后形变被转化为位移量。现在广泛选用的各种力求和设备，大部分是波登管和横隔阂。波登管可供给机械压力表中呈现的大规模位移运动，隔阂供给的小规模位移更适合用于机电式传感器。

力求和器材的运动可衔接到具有线性差变的变送器，其作业原理相似电机械转化元件。作为一种挑选件，它能被衔接，一般经过运动扩大组织传送到电位计的游标。减小加速度差错，运用中需求供给平衡质量。

机械压力表.在机械表中，力求和设备发生的运动经过机械衔接转化为数字信号或指示器的动作。较好的压力表能供给零点、量程、线性的调理，有时也会对机械刻度进行温度补偿。高精度压力表具有特别资料、平衡运动、补偿核算、镜像刻度、刀刃指示器的长处以及进步的扩展刻度和阅览准确的特色。大部分精细机械压力表、测验表都用于压力校准中的规范转化，但关于实践中需求的远端感测、监控或记载，它们是不切合实践的。这种的机械联接也受动态压力丈量的频率响应约束。

机电式压力传感器.机电压力传感器或压力改换器能够将力求和设备发生的运动转化为电信号。这些传感器十分有用，比机械压力外表更有有用性，特别是需求数字信号的现场和操控体系运用中。在规划优秀的改换器中，电输出可直接转化各压力规模的份额电量。关于快速的变形－动态－压力丈量体系而言，改换器的频率特性显得特别重要。

压力传感器的类型

压力传感器分为各种参阅压力选型器材：表压型（psig）、肯定型（psia）、差分型（psid）和封压型（psis）。各种类型都是将力求和设备的压力信号转化为位移量，然后经过几种改换办法将位移量转化为电信号。最一般的是应变仪、可变电容和压电器材。

应变仪改换器.应变典礼改换器是依据金属和硅半导体应变仪的原理。该类丈量器材离散散布在受力元件或自在感测设备的外表。丈量资料可喷溅在隔阂上或涣散至硅隔阂结构中。应变仪改换器中运用的最一般力求和设备是隔阂，一般选用平铺和蚀刻。应变仪也被用于波登管和膜盒安装。

应变仪的资料在应力施加时会呈现显着的阻抗改动。该改动由三种效应的累加效果决议。首要，当导体长度改动时，它接受的阻抗改动约与其长度改动成份额。其二，受Poisson效应的共同性影响，导体长度的改动会引起其穿插面积的改动和引起与改动面积成份额的阻抗改动。其三，资料的压阻特性，在施加应力时大部分资料的压阻系数是变量。一切的应变仪资料都存在这三个特性，但关于不同资料压阻效应改动很广。

金属应变仪为线网或薄金属片结构的图画，它们衬背在特别资料上并掩盖有保护膜。

这种规划答应在小区域中选用灵敏的长度（大的R）。它们由特定的合金制成，具有较高的压阻效应。硅应变仪被涂上压阻资料，以到达压阻效应和热阻效应的抱负合作。应变仪资料可经过它们的应力灵敏度来体现其特性，但构成应变仪后，它们的特性经过 “应力因子”表明，其被界说为相关的阻抗改动除以应力。

捆绑型应变仪.离散金属或硅应变片通常被捆绑（胶合）在需丈量应力的外表，发生的输出与它们效果区域的均匀应力成份额（见图6）。典型的应变因子在2左右；而1 µin/in应变力将发生2 µ / 的改动。非应变时阻抗改动从120 到几百欧姆。因为金属线和金属片的长度或高度对错应变阻抗有必要的参数，所以金属应变仪的体积不可能做得太小。

导线的一半扩展而另一半则较短。自在型与捆绑型比较的首要长处在于具有高的应力因子，能够到达3。因为无胶合要求，它们能够规划和制作产品能够用于高温方面。自在型应变仪的发展趋势是大体积。

喷溅式应变仪.应变仪资料可被喷溅在非传导隔阂上以构成应变仪。方位和方向可经过掩模操控，而且由喷溅工艺发生的分子粘结能够消除粘合粘结中发生的恣意问题。应变因子相似于自在型应变仪。该产品对外表预备和其它工艺操控的要求适当严苛。出产产品具有硅隔阂的长处，比如优异的线性和高性能的频率以及金属外表的优秀温度特性。

半导体应变仪.

这些器材由半导体硅制成。它们的应变因子取决于搀和量的巨细－极弱小的搀和量、高电阻系数的资料就会构成较高的应变因子。但是，它也有较高的热灵敏性，会引起阻抗和应变因子受温度的很大影响。大部分搀和的硅应变仪都能构成100–200的应变因子，该规模值受温度影响不大。涣散硅应变仪正好可用作金属应变仪，粘合到期望测验的应力点外表从而对压力衡量供给最大的灵敏度。别的，关于更高的应变因子（其能供给更高的灵敏度）而言，这种结构具有更小的尺度，答应微型化的结构。

捆绑型离散式硅应变仪.前期的硅应变仪变送器选用离散式硅应变仪粘合在受力元件的外表。这些设备相似于捆绑型金属应变仪，但硅应变仪能供给更宽的输出规模和更小的温度差错。此外，硅应变仪比金属应变仪尺度小，故能出产出更小的产品。

涣散隔阂传感器.离散应变仪，不论金属的仍是硅的，都对安装要求烦杂的微观安装，但涣散隔阂传感器能选用半导体掩模工艺技能制作。这种办法关于线性和灵敏度的挑选供给准确的应变方位和方向的定位，答应极微型出产而且削减安装本钱。它也能消除除粘合和运用中呈现的变数。

隔阂刻蚀传感器.前期的涣散硅隔阂压力变送器选用简略、共同厚度的平整硅隔阂。现在硅制作技能（MEMS）答应隔阂机械规划中有更大的灵敏性。各向异性的蚀刻能对硅晶体中的蚀刻方向供给精细的操控。十分小且形状杂乱的结构也能制作，答应隔阂结合所需的线性、灵敏度和频率响应特性成形。

可变的容性改换器.当一块电容板被相关的其它部件替代而放置时，两板间的电容量就会发生改动。假如一块板是压力传感器的薄膜，那么电容就与施加在其上的压力有关。容量的改动即可选用改动振荡器的频率，也可经过桥式电路检测。假如绝缘资料坚持安稳，这种设备就会构成一个重复性很高的改换器。其首要长处是滞后低、线性优秀、安稳和重复性好，具有静态压力丈量才能以及准确的数字输出。其缺点是需求有杂乱的电路结构。

压电改换器

压电式(PE)压力改换器，选用堆积的压电晶体或陶瓷元件将力求和器材的运动转化为电输出。石英、电气石和其它几种天然晶体在施加应力时都会发生电荷。特别阐明的是陶瓷能够人工偏振为压电体，而且它们比天然晶体有更高的灵敏性。与应变仪改换器不同，PE设备无需外置鼓励源。因为它们具有高输出阻抗和低信号电平，它们仅需求比如静电扩大计和屏蔽噪音电缆这样的特别信号调理器材。

因而关于PE改换器的规划（ICP或电压形式）需求在改换器壳体中包含完好的前置扩大器。运用中，输出被扩大（毫伏级）成低阻抗的电信号，这样能够极大地削减电缆引起的问题和简化信号调理。集成扩大器要求外置的恒流源，选用相同的双导体作为信号电路。信号调理设备经过模块化的电容器间隔电压源影响并传送AC信号。

因为PE改换器是自生型，其依据应力的改动发生电荷，故它们不能选用DC电源或稳态调理设备。它们自身存在受信号调理器的低频时刻常数影响的低频衰减截止频率。

它们的首要长处是其巩固性，以及无集成电子器材，并可在高温现场运用。但是，假如无适宜的温度补偿，它们对冲击和振荡的敏感性以及受温度的改动影响也不容易消除。

其它电化学传感器.实践上，将运动量转化电信号的每种技能，都存在必定的缺点，不定的阻抗、力平衡、改动的导线、振荡柱体和探头、压电薄膜和霍尔效应，这些技能一直在压力改换器规划中测验。现在，几种光纤传感器的种类也呈现，这种技能运用放射系数、相位系数和微形变的改动将感测的压力转化为光信号改动，其被鼓励并经过光纤传输信号。这些传感器具有在高振幅电磁场或脉冲环境下运用的长处。一些“混合”体系选用传统的改换器，然后将电输出转化为光信号，用于光纤传送。

扫描仪.多通道扫描压力丈量体系是多点要求丈量的最好挑选。有机械和电子两种类型。机械扫描器仅有一个传感器，其能够接连地从每个丈量点机械地发送数据到传感器。电子扫描器在公共结构中选用许多传感器，其能够经过电方法多时序地将数据传送到收集设备。在这两种类型中，都将丈量处管道发生的压力发射到一个传感器。

压力扫描阀.压力扫描阀是一种气动开关，能够按时序将多通道压力传送到信号改换器。最通用的规划是运用相对旋转的部件进行外表敲打表匹配。为了尽量减小气体方针体积受压力改动的影响，能够将改换器直接设备在离阀很近的当地。阀滚动体由步进电机驱动，阀方位由旋转编码器指示。产品可经过对一个或多个端口供给已知的准确压力并结合体系进行周期性校准。最大扫描速率取决于要求的精度。假如每个丈量点逗留的时刻在压力平衡中满足长，则精度为改换器的精度。平衡时刻是移动体积和压力改换量的函数。关于气动式和喷气发动机而言，其典型的扫描速率为每秒5–10个丈量点。多通道扫描仪能够按时序供给快速有用的扫描速率。

电子压力扫描仪.假如将微型半导体应变仪和固态电子多路技能结合在一个丈量体系中，则能比机械扫描仪供给更高的扫描速率。多路改换器阵列，低能多路复用器，共用腔中的仪器扩大器能够补偿典型体系的缺点。有些体系也包含能主动转化方针到每一个传感器，以校准恣意时刻压力的气动阀。校准压力可选用多种形式的校准。因为机械开关无压力经过的，故当移动的体积安稳时不需求推迟丈量。每个改换器一直都处在丈量状况，其输出可经过电子多路复用器扫描进行周期采样。扫描速度为10,000 至 20,000 sps。当然，丈量点和传感器间的衔接收道仍需选用低通滤波器。