壓力測量的原理和應(yīng)用

作為最普通的物理量，壓力度量具有各種不同現(xiàn)場的應(yīng)用。設(shè)計(jì)工程師需熟悉幾種不同的技術(shù)才能選擇出適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品應(yīng)用其現(xiàn)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(shù)，廣泛用于壓力傳感器的刻度校準(zhǔn)。該裝置可通過活塞在流體（一般為液體）上施加壓力來校準(zhǔn)重量（質(zhì)量）。自重測試儀可被用于主要標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)橛绊懢�度的因素來自于質(zhì)量、長度和時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)�；钊麅x操作簡單；壓力可通過旋轉(zhuǎn)螺旋起重機(jī)減少測試目標(biāo)內(nèi)的流體體積而產(chǎn)生。在通過減少體積產(chǎn)生的壓力會比活塞上的總量產(chǎn)生的壓力略高時(shí)，活塞會升高直至儀表壓力和活塞底部的壓力平衡并嚴(yán)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(biāo)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(guān)心的在于程序。很明顯，對于日復(fù)一日的壓力測量，該方法并不實(shí)際。

    流體落差－壓力計(jì).

    液柱的高度或兩個(gè)液柱高的位差可用來測量U型壓力計(jì)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(dāng)一面施加壓力時(shí)，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(jì)是壓力測量的主要標(biāo)準(zhǔn)。

    雖然這些壓力計(jì)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(diǎn)，右面則面對空氣敞開，壓力計(jì)將會指示表壓，正壓值或負(fù)壓值（真空）。通過連接管的一腳至度量點(diǎn)可測量差壓。絕對壓力可根據(jù)參考面的溢出量來判斷。水銀氣壓計(jì)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(gè)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(shù)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(yīng)用受到限制，這種壓力計(jì)對大部分壓力測量來說并不實(shí)用。

    力求和裝置.機(jī)械壓力表和機(jī)械電子壓力傳感器都含有一個(gè)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(chǎn)生變形。

    然后形變被轉(zhuǎn)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(jī)械壓力表中出現(xiàn)的大范圍位移運(yùn)動，隔膜提供的小范圍位移更適合用于機(jī)電式傳感器。

    力求和器件的運(yùn)動可連接到具有線性差變的變送器，其工作原理類似電機(jī)械轉(zhuǎn)換元件。作為一種選擇件，它能被連接，一般通過運(yùn)動放大機(jī)構(gòu)傳送到電位計(jì)的游標(biāo)。減小加速度誤差，使用中需要提供平衡質(zhì)量。

    機(jī)械壓力表.在機(jī)械表中，力求和裝置產(chǎn)生的運(yùn)動通過機(jī)械連接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號或指示器的動作。較好的壓力表能提供零點(diǎn)、量程、線性的調(diào)節(jié)，有時(shí)也會對機(jī)械刻度進(jìn)行溫度補(bǔ)償。高精度壓力表具有特殊材料、平衡運(yùn)動、補(bǔ)償計(jì)算、鏡像刻度、刀刃指示器的優(yōu)點(diǎn)以及提高的擴(kuò)展刻度和閱讀準(zhǔn)確的特點(diǎn)。大部分精密機(jī)械壓力表、測試表都用于壓力校準(zhǔn)中的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，但對于實(shí)際中需要的遠(yuǎn)端感測、監(jiān)控或記錄，它們是不切合實(shí)際的。這種的機(jī)械聯(lián)接也受動態(tài)壓力測量的頻率響應(yīng)限制。

    機(jī)電式壓力傳感器.機(jī)電壓力傳感器或壓力變換器可以將力求和裝置產(chǎn)生的運(yùn)動轉(zhuǎn)換為電信號。這些傳感器非常實(shí)用，比機(jī)械壓力儀表更有實(shí)用性，特別是需要數(shù)字信號的現(xiàn)場和控制系統(tǒng)應(yīng)用中。在設(shè)計(jì)優(yōu)良的變換器中，電輸出可直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為位移量，然后通過幾種變換方法將位移量轉(zhuǎn)換為電信號。最普通的是應(yīng)變儀、可變電容和壓電器件。

    應(yīng)變儀變換器.應(yīng)變儀式變換器是基于金屬和硅半導(dǎo)體應(yīng)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(kuò)散至硅隔膜結(jié)構(gòu)中。應(yīng)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(yīng)變儀也被用于波登管和膜盒裝配。

    應(yīng)變儀的材料在應(yīng)力施加時(shí)會出現(xiàn)明顯的阻抗變化。該變化由三種效應(yīng)的累加效果決定。首先，當(dāng)導(dǎo)體長度變化時(shí)，它承受的阻抗變化約與其長度變化成比例。其二，受Poisson效應(yīng)的一致性影響，導(dǎo)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(yīng)力時(shí)大部分材料的壓阻系數(shù)是變量。所有的應(yīng)變儀材料都存在這三個(gè)特性，但對于不同材料壓阻效應(yīng)變化很廣。

    金屬應(yīng)變儀為線網(wǎng)或薄金屬片構(gòu)造的圖案，它們襯背在特殊材料上并覆蓋有保護(hù)膜。

    這種設(shè)計(jì)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(yīng)。硅應(yīng)變儀被涂上壓阻材料，以達(dá)到壓阻效應(yīng)和熱阻效應(yīng)的理想配合。應(yīng)變儀材料可通過它們的應(yīng)力靈敏度來表現(xiàn)其特性，但構(gòu)成應(yīng)變儀后，它們的特性通過 “應(yīng)力因子”表示，其被定義為相關(guān)的阻抗變化除以應(yīng)力。

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

    導(dǎo)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(diǎn)在于具有高的應(yīng)力因子，可以達(dá)到3。因?yàn)闊o膠合要求，它們可以設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品可以用于高溫方面。自由型應(yīng)變儀的發(fā)展趨勢是大體積。

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

    這些器件由半導(dǎo)體硅制成。它們的應(yīng)變因子取決于攙雜量的大�。瓨O微弱的攙雜量、高電阻系數(shù)的材料就會形成較高的應(yīng)變因子。然而，它也有較高的熱靈敏性，會引起阻抗和應(yīng)變因子受溫度的很大影響。大部分?jǐn)v雜的硅應(yīng)變儀都能形成100–200的應(yīng)變因子，該范圍值受溫度影響不大。分散硅應(yīng)變儀正好可用作金屬應(yīng)變儀，粘合到希望測試的應(yīng)力點(diǎn)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(yīng)變因子（其能提供更高的靈敏度）而言，這種構(gòu)造具有更小的尺寸，允許微型化的結(jié)構(gòu)。

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

    擴(kuò)散隔膜傳感器.離散應(yīng)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(kuò)散隔膜傳感器能采用半導(dǎo)體掩模工藝技術(shù)制造。這種方法對于線性和靈敏度的選擇提供精確的應(yīng)變位置和方向的定位，允許極微型生產(chǎn)并且減少裝配成本。它也能消除除粘合和應(yīng)用中出現(xiàn)的變數(shù)。

    隔膜刻蝕傳感器.早期的擴(kuò)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(shù)（MEMS）允許隔膜機(jī)械設(shè)計(jì)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)也能制造，允許隔膜結(jié)合所需的線性、靈敏度和頻率響應(yīng)特性成形。

    可變的容性變換器.當(dāng)一塊電容板被相關(guān)的其它部件取代而放置時(shí)，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(guān)。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(gè)重復(fù)性很高的變換器。其主要優(yōu)點(diǎn)是滯后低、線性優(yōu)良、穩(wěn)定和重復(fù)性好，具有靜態(tài)壓力測量能力以及準(zhǔn)確的數(shù)字輸出。其缺點(diǎn)是需要有復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。

    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(yùn)動轉(zhuǎn)換為電輸出。石英、電氣石和其它幾種自然晶體在施加應(yīng)力時(shí)都會產(chǎn)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(yīng)變儀變換器不同，PE裝置無需外置激勵(lì)源。因?yàn)樗鼈兙哂懈咻敵鲎杩购偷托盘栯娖�，它們僅需要諸如靜電放大計(jì)和屏蔽噪音電纜這樣的特殊信號調(diào)節(jié)器件。

    因此對于PE變換器的設(shè)計(jì)（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(diào)節(jié)。集成放大器要求外置的恒流源，采用相同的雙導(dǎo)體作為信號電路。信號調(diào)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(jù)應(yīng)力的變化產(chǎn)生電荷，故它們不能采用DC電源或穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)裝置。它們本身存在受信號調(diào)節(jié)器的低頻時(shí)間常數(shù)影響的低頻衰減截止頻率。

    它們的主要優(yōu)點(diǎn)是其堅(jiān)固性，以及無集成電子器件，并可在高溫現(xiàn)場使用。然而，如果無合適的溫度補(bǔ)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(xué)傳感器.實(shí)際上，將運(yùn)動量轉(zhuǎn)化電信號的每種技術(shù)，都存在一定的缺點(diǎn)，不定的阻抗、力平衡、變化的導(dǎo)線、振動柱體和探頭、壓電薄膜和霍爾效應(yīng)，這些技術(shù)一直在壓力變換器設(shè)計(jì)中嘗試。目前，幾種光纖傳感器的品種也出現(xiàn)，這種技術(shù)利用放射系數(shù)、相位系數(shù)和微形變的改變將感測的壓力轉(zhuǎn)換為光信號變化，其被激勵(lì)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(diǎn)。一些“混合”系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的變換器，然后將電輸出轉(zhuǎn)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(diǎn)要求測量的最好選擇。有機(jī)械和電子兩種類型。機(jī)械掃描器僅有一個(gè)傳感器，其可以連續(xù)地從每個(gè)測量點(diǎn)機(jī)械地發(fā)送數(shù)據(jù)到傳感器。電子掃描器在公共結(jié)構(gòu)中采用很多傳感器，其可以通過電方式多時(shí)序地將數(shù)據(jù)傳送到采集設(shè)備。在這兩種類型中，都將測量處管道產(chǎn)生的壓力發(fā)射到一個(gè)傳感器。

    壓力掃描閥.壓力掃描閥是一種氣動開關(guān)，可以按時(shí)序?qū)⒍嗤ǖ缐毫�傳送到信號變換器。最通用的設(shè)計(jì)是利用相對旋轉(zhuǎn)的部件進(jìn)行表面拍打表匹配。為了盡量減小氣體目標(biāo)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(zhuǎn)動體由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，閥位置由旋轉(zhuǎn)編碼器指示。產(chǎn)品可通過對一個(gè)或多個(gè)端口提供已知的精確壓力并結(jié)合系統(tǒng)進(jìn)行周期性校準(zhǔn)。最大掃描速率取決于要求的精度。如果每個(gè)測量點(diǎn)停留的時(shí)間在壓力平衡中足夠長，則精度為變換器的精度。平衡時(shí)間是移動體積和壓力變換量的函數(shù)。對于氣動式和噴氣發(fā)動機(jī)而言，其典型的掃描速率為每秒5–10個(gè)測量點(diǎn)。多通道掃描儀可以按時(shí)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(dǎo)體應(yīng)變儀和固態(tài)電子多路技術(shù)結(jié)合在一個(gè)測量系統(tǒng)中，則能比機(jī)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(fù)用器，共用腔中的儀器放大器可以彌補(bǔ)典型系統(tǒng)的缺陷。有些系統(tǒng)也包括能自動轉(zhuǎn)換目標(biāo)到每一個(gè)傳感器，以校準(zhǔn)任意時(shí)間壓力的氣動閥。校準(zhǔn)壓力可采用多種形式的校準(zhǔn)。由于機(jī)械開關(guān)無壓力通過的，故當(dāng)移動的體積穩(wěn)定時(shí)不需要延遲測量。每個(gè)變換器始終都處在測量狀態(tài)，其輸出可通過電子多路復(fù)用器掃描進(jìn)行周期采樣。掃描速度為10,000 至 20,000 sps。當(dāng)然，測量點(diǎn)和傳感器間的連接管道仍需采用低通濾波器。