如何使用压力传感器测量压强

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。

装满瓦斯的容器包含无数个不断撞击容器壁原子和分子。 压强等于容器壁单位面积受到来自这些原子和分子的力的平均值。 此外，压强不一定要沿容器壁测量，可以通过任何平面上每单位面积所受的力测得。 例如，气压就是对地面下压的空气重量的函数。 因此，海拔越高，压强越低。 同样，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)。

压强测量可分为静态和动态。 没有运动时的压强即为静态压强。 静态压强的例子包括气球内的压强或水盆内水压。 通常，流体的运动会改变其施加给周围的力。 这种压强测量称为动态压强测量。 例如，气球内或水盆底部的压强会随着释放气球中的空气或倒出水盆中的水而改变。

压强水头（压头）测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和重量密度w的函数，如图1所示。

图1. 压强水头测量

大海中潜水员所受的压强等于潜水员所处的深度乘以海洋重量（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承受2112磅的水， 等于14.7 PSI。 有趣的是，海平面的大气压也是14.7 PSI或1 atm。 因此，33英尺深的水产生的压强与5英里的空气一样！ 潜水33英尺深的潜水员所承受的总压强等于空气重量与水产生的压强之和，即29.4 PSI或2 atm。

压强测量还可以通过所进行的测量类型进一步加以描述。 压强测量有三种类型：绝对压强、表压、差压。 绝对压强是指真空条件下的压强（图2）。 绝对压强通常使用缩写PAA（帕斯卡绝对压强）或PSIA（磅每平方英寸绝对压强）来描述。

图2. 绝对压强传感器[3]

表压是指相对于环境大气压的压强（图3）。 类似于绝对压强，表压通常使用字母缩写PAG（帕斯卡表压）或PSIG（磅每平方英寸表压）来描述。

图3.表压传感器[3]

差压类似于表压，但与测量环境大气压不同，差压是测量具体参考压强（图4）。 差压通常使用字母缩写PAD（帕斯卡差压）或PSID（磅每平方英寸差压）来描述。

图4. 差压传感器[3]

至页首

2. 压力传感器

由于必须测量的压强的状况、范围及材料存在很大差异，因此压力传感器的设计有许多类型。 通常压强可以转换为某种中间形式，比如位移。 然后传感器将位移转换成电输出，比如电压或电流。 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。

在所有压力传感器中，惠斯通电桥（基于应变）传感器是最常见的一种，提供的解决方案能够满足不同的精度、尺寸、坚固性和成本需求。 桥式传感器可以测量高压和低压应用的绝对压强、表压或差压。 所有桥式传感器均使用应变计和膜片（图4）。

图4. 典型应变计压力传感器的截面[3]

当压力的变化引起膜片偏转时，应变计的电阻会发生相应变化，这个变化可以通过数据采集(DAQ)系统进行测量。 这些应变计压力传感器分为不同类型：粘贴式应变计、溅射应变计和半导体应变计。

如果两块金属板距离发生变化，则两块金属板之间的电容也会随之变化。 可变电容压力传感器（图5）可测量金属膜片和固定金属板之间的电容变化。 这些压力传感器通常较为稳定、线性度较好，但它们对高温非常敏感，其安装也比大部分压力传感器更为复杂。

图5. 电容压力传感器[4]

压电式压力传感器（图6）利用自然产生晶体（如石英）的电气属性。 这些晶体在受到压力时会产生电荷。 压电式压力传感器无需外部激励源，且十分坚固。 但这些传感器确实需要电荷放大电路，且十分容易受到冲击和震动的影响。

图6. 压电式压力传感器[4]

动态冲击是压强测量应用中传感器失败的一个常见原因，导致传感器过载。 压力传感器过载的一个典型范例就是水锤现象。 快速移动的液体因阀门关闭而突然停止时就会发生水锤现象。 液体的动力由于突然受到压制，导致液体管壁发生突然伸展的现象。 这种伸展会产生压力突波，可能会损坏压力传感器。 为减少“水锤”的影响，传感器和压力线之间通常安装一个减震器。 减震器通常是一种筛网过滤器或烧结材料，允许加压液体通过，但不允许大量液体通过，因此可以在发生水锤现象时避免压力突波。 减震器在某些应用中是保护传感器的好选择，但许多测试中，峰值冲击压力正是需要测试的对象。 这种情况下，就应该选择不包含过载保护的压力传感器。 [3]

至页首

3. 压力测量

如上所述，压力传感器的自然输出是电压。 许多基于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理考虑因素，将在下一节详细说明。 此外，许多压力传感器还会输出经过调理的0-5 V信号或4-20 mA电流。 在传感器的工作范围内，这两种输出都是线性的。 例如，0 V和4 mA对应0压力测量。 同样，5 V和20 mA对应传感器可测量的全幅容量，或最大压力。 0-5 V和4-20 mA信号都可通过NI多功能数据采集(DAQ)硬件轻松测量。

至页首

4. 用于测量压力的信号调理

与其他基于电桥的传感器一样，需要考虑多个信号调理因素，以便准确地测量压力。 下列因素十分重要：

• 桥完整
• 激励
• 遥感
• 放大
• 滤波
• 偏移
• 分流校准

上述每个因素都在底部链接的“使用应变计进行应变测量”教程中进行了详细说明。

一旦获得可测量电压信号后，这个信号必须转换为实际压力单位。 压力传感器通常在操作范围内产生线性响应，因而一般无需线性化，但需要某些硬件或软件将传感器的电压输出转换为压力测量。 使用的转换公式取决于使用的传感器类型，并由传感器生产商提供。 典型的转换公式与激励电压、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，同时获得10V DC激励电压的压力转换器会产生15 mV的测得电压，那么测得的压力为5000 PSI。

适当缩放信号后，必须取得适当的停止位置。 压力传感器（无论是绝对压强还是表压）都有一个视为停止位置或参考位置的一定强度。 应变计在该位置上应产生0伏特。 偏移归零电路会增加或删除应变计某一边的电阻，从而达到这个“平衡”位置。 偏移归零在确保压力测量精确度上十分重要，为得到最佳结果，偏移归零应在硬件中执行，而不是软件。