压力测量的原理和应用

     作为最普通的物理量，压力度量具有各种不同现场的应用。设计工程师需熟悉几种不同的技术才能选择出适当的产品应用其现场。

     自重检测器.，自重测试仪或活塞仪是最基本的压力测量技术，广泛用于压力传感器的刻度校准。该装置可通过活塞在流体（一般为液体）上施加压力来校准重量（质量）。自重测试仪可被用于主要标准，因为影响精度的因素来自于质量、长度和时间的标准。活塞仪操作简单；压力可通过旋转螺旋起重机减少测试目标内的流体体积而产生。在通过减少体积产生的压力会比活塞上的总量产生的压力略高时，活塞会升高直至仪表压力和活塞底部的压力平衡并严格相等。系统的压力将为：P = W/A (1)

      这里：W =活塞加上砝码的总量，A =活塞的有效面积。

     通过改变活塞的面积和砝码的重量，可以完成各种压力范围的测量。对于高精度和精密的压力标度，需要采用很多修正方法，精确的面积和砝码重量必须确定，最为关心的在于程序。很明显，对于日复一日的压力测量，该方法并不实际。

一、流体落差－压力计

     液柱的高度或两个液柱高的位差可用来测量U型压力计的压力落差。如果液体装在开口的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比例。U型管压力计是压力测量的主要标准。

     虽然这些压力计仅是由玻璃组成的U形管简单形成，并用参考刻度测量高度，但是仍存在尺寸、形状和材料方面的各种变化。如果左面连接测量点，右面则面对空气敞开，压力计将会指示表压，正压值或负压值（真空）。通过连接管的一脚至度量点可测量差压。绝对压力可根据参考面的溢出量来判断。水银气压计就是指示大气压的绝对压力的例子。

     在某些型号中，U管的两个腿具有不同的直径。一些型号在“溢出”一面配置有大直径。而另一方面，某些U型管倾向提供更方便读数的方案。但它们的工作原理都相同。由于安装和观察方面受几何形状的约束，使它们的应用受到限制，这种压力计对大部分压力测量来说并不实用。

1.力求和装置

     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装置的弹性元件，其会受施加的压力的影响而产生变形。

     然后形变被转化为位移量。目前广泛采用的各种力求和装置，大部分是波登管和横隔膜。波登管可提供机械压力表中出现的大范围位移运动，隔膜提供的小范围位移更适合用于机电式传感器。

     力求和器件的运动可连接到具有线性差变的变送器，其工作原理类似电机械转换元件。作为一种选择件，它能被连接，一般通过运动放大机构传送到电位计的游标。减小加速度误差，使用中需要提供平衡质量。

2.机械压力表

     在机械表中，力求和装置产生的运动通过机械连接转换为数字信号或指示器的动作。较好的压力表能提供零点、量程、线性的调节，有时也会对机械刻度进行温度补偿。高精度压力表具有特殊材料、平衡运动、补偿计算、镜像刻度、刀刃指示器的优点以及提高的扩展刻度和阅读准确的特点。大部分精密机械压力表、测试表都用于压力校准中的标准转换，但对于实际中需要的远端感测、监控或记录，它们是不切合实际的。这种的机械联接也受动态压力测量的频率响应限制。

3.机电式压力传感器

     机电压力传感器或压力变换器可以将力求和装置产生的运动转换为电信号。这些传感器非常实用，比机械压力仪表更有实用性，特别是需要数字信号的现场和控制系统应用中。在设计优良的变换器中，电输出可直接转换各压力范围的比例电量。对于快速的变形－动态－压力测量系统而言，变换器的频率特性显得尤其重要。

二、压力传感器的类型

     压力传感器分为各种参考压力选型器件：表压型（psig）、绝对型（psia）、差分型（psid）和封压型（psis）。各种类型都是将力求和装置的压力信号转换为位移量，然后通过几种变换方法将位移量转换为电信号。最普通的是应变仪、可变电容和压电器件。

1.应变仪变换器

     应变仪式变换器是基于金属和硅半导体应变仪的原理。该类测量器件离散分布在受力元件或自由感测装置的表面。测量材料可喷溅在隔膜上或扩散至硅隔膜结构中。应变仪变换器中使用的最普通力求和装置是隔膜，一般采用平铺和蚀刻。应变仪也被用于波登管和膜盒装配。

     应变仪的材料在应力施加时会出现明显的阻抗变化。该变化由三种效应的累加效果决定。首先，当导体长度变化时，它承受的阻抗变化约与其长度变化成比例。其二，受Poisson效应的一致性影响，导体长度的变化会引起其交叉面积的变化和引起与变化面积成比例的阻抗变化。其三，材料的压阻特性，在施加应力时大部分材料的压阻系数是变量。所有的应变仪材料都存在这三个特性，但对于不同材料压阻效应变化很广。

     金属应变仪为线网或薄金属片构造的图案，它们衬背在特殊材料上并覆盖有保护膜。

     这种设计允许在小区域中采用灵活的长度（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材料，以达到压阻效应和热阻效应的理想配合。应变仪材料可通过它们的应力灵敏度来表现其特性，但构成应变仪后，它们的特性通过 “应力因子”表示，其被定义为相关的阻抗变化除以应力。

2.束缚型应变仪

     离散金属或硅应变片通常被束缚（胶合）在需测量应力的表面，产生的输出与它们作用区域的平均应力成比例。典型的应变因子在2左右；而1µin/in应变力将产生2µin/in的变化。非应变时阻抗变化从120 到几百欧姆。因为金属线和金属片的长度或高度是非应变阻抗必须的参数，所以金属应变仪的体积不可能做得太小。

     导线的一半伸展而另一半则较短。自由型与束缚型相比的主要优点在于具有高的应力因子，可以达到3。因为无胶合要求，它们可以设计和制造产品可以用于高温方面。自由型应变仪的发展趋势是大体积。

3.喷溅式应变仪

     应变仪材料可被喷溅在非传导隔膜上以形成应变仪。位置和方向可通过掩模控制，并且由喷溅工艺产生的分子粘结可以消除粘合粘结中产生的任意问题。应变因子类似于自由型应变仪。该产品对表面准备和其它工艺控制的要求相当苛刻。生产产品具有硅隔膜的优点，诸如优异的线性和高性能的频率以及金属仪表的优良温度特性。

三、半导体应变仪

     这些器件由半导体硅制成。它们的应变因子取决于搀杂量的大小－极微弱的搀杂量、高电阻系数的材料就会形成较高的应变因子。然而，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。大部分搀杂的硅应变仪都能形成100–200的应变因子，该范围值受温度影响不大。分散硅应变仪正好可用作金属应变仪，粘合到希望测试的应力点表面从而对压力度量提供最大的灵敏度。另外，对于更高的应变因子（其能提供更高的灵敏度）而言，这种构造具有更小的尺寸，允许微型化的结构。

1.束缚型离散式硅应变仪

     早期的硅应变仪变送器采用离散式硅应变仪粘合在受力元件的表面。这些装置类似于束缚型金属应变仪，但硅应变仪能提供更宽的输出范围和更小的温度误差。此外，硅应变仪比金属应变仪尺寸小，故能生产出更小的产品。

2.扩散隔膜传感器

     离散应变仪，不管金属的还是硅的，都对装配要求烦杂的微观装配，但扩散隔膜传感器能采用半导体掩模工艺技术制造。这种方法对于线性和灵敏度的选择提供精确的应变位置和方向的定位，允许极微型生产并且减少装配成本。它也能消除除粘合和应用中出现的变数。

3.隔膜刻蚀传感器

     早期的扩散硅隔膜压力变送器采用简单、一致厚度的平坦硅隔膜。目前硅制造技术（MEMS）允许隔膜机械设计中有更大的灵活性。各向异性的蚀刻能对硅晶体中的蚀刻方向提供精密的控制。非常小且形状复杂的结构也能制造，允许隔膜结合所需的线性、灵敏度和频率响应特性成形。

4.可变的容性变换器

     当一块电容板被相关的其它部件取代而放置时，两板间的电容量就会发生变化。如果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。容量的变化即可采用改变振荡器的频率，也可通过桥式电路检测。如果绝缘材料保持恒定，这种装置就会形成一个重复性很高的变换器。其主要优点是滞后低、线性优良、稳定和重复性好，具有静态压力测量能力以及准确的数字输出。其缺点是需要有复杂的电路结构。

四、压电变换器

     压电式(PE)压力变换器，采用堆积的压电晶体或陶瓷元件将力求和器件的运动转换为电输出。石英、电气石和其它几种自然晶体在施加应力时都会产生电荷。特别说明的是陶瓷能够人工偏振为压电体，并且它们比自然晶体有更高的灵敏性。与应变仪变换器不同，PE装置无需外置激励源。因为它们具有高输出阻抗和低信号电平，它们仅需要诸如静电放大计和屏蔽噪音电缆这样的特殊信号调节器件。

     因此对于PE变换器的设计（ICP或电压模式）需要在变换器壳体中包括完整的前置放大器。使用中，输出被放大（毫伏级）成低阻抗的电信号，这样可以极大地减少电缆引起的问题和简化信号调节。集成放大器要求外置的恒流源，采用相同的双导体作为信号电路。信号调节装置通过模块化的电容器隔断电压源影响并传送AC信号。

     由于PE变换器是自生型，其根据应力的变化产生电荷，故它们不能采用DC电源或稳态调节装置。它们本身存在受信号调节器的低频时间常数影响的低频衰减截止频率。

     它们的主要优点是其坚固性，以及无集成电子器件，并可在高温现场使用。然而，如果无合适的温度补偿，它们对冲击和振动的敏感性以及受温度的变化影响也不容易消除。

1.其它电化学传感器

     实际上，将运动量转化电信号的每种技术，都存在一定的缺点，不定的阻抗、力平衡、变化的导线、振动柱体和探头、压电薄膜和霍尔效应，这些技术一直在压力变换器设计中尝试。目前，几种光纤传感器的品种也出现，这种技术利用放射系数、相位系数和微形变的改变将感测的压力转换为光信号变化，其被激励并通过光纤传输信号。这些传感器具有在高振幅电磁场或脉冲环境下使用的优点。一些“混合”系统采用传统的变换器，然后将电输出转换为光信号，用于光纤传送。

2.扫描仪

     多通道扫描压力测量系统是多点要求测量的最好选择。有机械和电子两种类型。机械扫描器仅有一个传感器，其可以连续地从每个测量点机械地发送数据到传感器。电子扫描器在公共结构中采用很多传感器，其可以通过电方式多时序地将数据传送到采集设备。在这两种类型中，都将测量处管道产生的压力发射到一个传感器。

3.压力扫描阀

     压力扫描阀是一种气动开关，可以按时序将多通道压力传送到信号变换器。最通用的设计是利用相对旋转的部件进行表面拍打表匹配。为了尽量减小气体目标体积受压力变化的影响，可以将变换器直接安装在离阀很近的地方。阀转动体由步进电机驱动，阀位置由旋转编码器指示。产品可通过对一个或多个端口提供已知的精确压力并结合系统进行周期性校准。最大扫描速率取决于要求的精度。如果每个测量点停留的时间在压力平衡中足够长，则精度为变换器的精度。平衡时间是移动体积和压力变换量的函数。对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个测量点。多通道扫描仪可以按时序提供快速有效的扫描速率。

4.电子压力扫描仪

     如果将微型半导体应变仪和固态电子多路技术结合在一个测量系统中，则能比机械扫描仪提供更高的扫描速率。多路变换器阵列，低能多路复用器，共用腔中的仪器放大器可以弥补典型系统的缺陷。有些系统也包括能自动转换目标到每一个传感器，以校准任意时间压力的气动阀。校准压力可采用多种形式的校准。由于机械开关无压力通过的，故当移动的体积稳定时不需要延迟测量。每个变换器始终都处在测量状态，其输出可通过电子多路复用器扫描进行周期采样。扫描速度为10,000至 20,000sps。当然，测量点和传感器间的连接管道仍需采用低通滤波器。

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