压力测量概述

概览

1. 什么是压强？
压强定义为流体对其周围每单位面积施加的力。 压强P是力F和面积A的函数：

压强的​​SI单位是帕斯卡(N/m²)，但其他常用的压强单位包括磅/每平方英寸(psi)、大气压(atm)、bar、英寸汞柱(in. Hg)、毫米汞柱(mm Hg)和托。

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。 例如，假设喷头关闭时软管中的水压为40磅每平方英寸（每单位面积的力）。 打开​​喷头，压强就会随水喷出来而降低。 全面的压力测量必须考虑其所处的环境。 许多因素，包括流体、流体的压缩性和外力都会影响压强。

2. 压力测量方法
压力测量还可以通过所执行的测量类型进行描述。 测量压力有三种方法：绝对压强、表压、压差。 绝对压强是指真空条件下的压强，而表压和压差指的是另一种压强，比如环境大气压或相邻容器的压强。

绝对压强

绝对压强测量方法是相对于0 Pa时真空下的静态压强。 所测量的压强等于待测压强加上大气压。 因此，绝对压强测量需要考虑大气压的影响。 这种类型的测量非常适合使用高度计测量的大气压或真空压强。 通常，通常使用字母缩写Paa（帕斯卡绝对压强）或psia（磅每平方英寸绝对）来描述绝对压强。

表压

表压是指相对于环境大气压的压强。 这意味着，基准压强和待测压强都会受到大气压的影响。 因此，表压测量排除了大气压的影响。 这些类型的测量包括轮胎压强和血压测量。 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。

压差

压差类似于表压；不同的是，基准压强是系统的另一个压强点，而不是环境大气压。 您可以使用这种方法来维持两个容器之间的相对压强，如压缩机油箱和相关馈电线之间的相对压强。 我们通常使用字母缩写Pad （帕斯卡压差）或PSID（磅每平方英寸压差）来描述压差。

3. 压强传感器的工作原理
不同的测量条件、范围以及传感器结构使用的材料都会导致不同的压强传感器设计。 通常可以通过检测膜片与流体线的偏转量将压强转换为某种中间形式的量，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。 由于薄膜的面积已知，我们就可以计算出压强。 压强传感器内包含了一个换算器，可将压强转换为工程单位。

三种最常用的压强传感器类型是桥式传感器（基于应变计）、电容式传感器、压电式传感器。

桥式

在所有压强传感器中，惠斯登电桥（基于应变）传感器是最常见的一种，因为它们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、表压或压差。 这类传感器使用应变计来检测膜片由于承受所施加的压力而发生的形变。

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，这个变化可以使用经调理的数据采集系统进行测量。 您可以将箔式应变计直接绑到膜片上或者与膜片直接机械连接的元件上。 有时也会使用硅应变计。 硅应变计是将电阻贴在硅基衬底，然后使用传输流体将膜片的压力传送到衬底。

电容式压力传感器

可变电容压力传感器可测量金属薄膜和固定金属板之间的电容变化。 如果两块金属板由于施加的压力而导致距离发生变化，则两块金属板之间的电容也会随之发生变化。

压电式压力传感器

压电传感器基于石英晶体的电性能，而不是电阻桥传感器的电性能。 这些晶体在受到压力时会产生电荷。 电极会将电荷从晶体传送到传感器内置的放大器。 这些传感器不需要外部激励源，但非常易于受到冲击和振动的影响。

经调理的压力传感器

包含集成电路（比如放大器）的传感器称为放大传感器。 这类传感器包括桥式、电容式或压电式传感器。 对于桥式放大传感器，传感器本身提供了使用数据采集设备直接测量压力所需的补全电阻器和放大电路。 虽然仍必须提供激励，但激励的精度并没有那么重要。

光学压力传感器

使用光学感测的压力测量有很多好处，包括抗噪性和隔离。 阅读FBG光学感测基础，了解更多关于此测量方法的信息。

4. 如何选择合适的压力传感器
桥式或压阻传感器由于其简单的结构和耐久性而成为最常用的传感器。 这意味着这类传感器的成本更低，非常适用于高通道系统。 一般情况，箔式应变计通常用于高压（高达700M Pa）应用。 这类传感器的工作温度比硅应变计更高（分别是200℃和100℃），但硅应变计具有更高的超负荷能力。 由于硅应变计的灵敏度更高，因此也通常在低压(~2k Pa)应用中使用。

电容和压电式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。 压电式传感器可快速响应压力的变化。 因此，这类传感器通常用于快速测量爆炸等事件的压力。 由于其出色的动态性能，压电式传感器的成本是最高的，而且其晶核非常灵敏，需要小心保护。

调理传感器通常更昂贵，因为它们包含用于滤波和信号放大的组件、激励导线和用于测量的常规电路元件。 这适用于不具有专用信号调理系统的低通道系统。 由于调理功能是内置的，只要以某种方式为传感器提供电源，就可以直接将传感器连接到DAQ设备。 如果使用的是未经调理的桥式压力传感器，则硬件需要信号调理。 查看传感器文档，确定您是否需要额外的放大或滤波组件。

5. 压力传感器的信号调理
桥式压力传感器是目前最常见的压力传感器。在构建高效的桥式压力测量系统时需要考虑几个信号调理元素。 您可能需要以下一个或多个调理功能：

激励，为惠斯通桥电路供电
远程感测，以补偿长导线的激励电压误差
放大，以提高测量分辨率和信噪比
滤波，以除去外部高频噪音
偏置归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
分流校准，根据已知的预期值验证桥的输出

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