使用桥式和其他压力传感器测量压强

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：

P = F/A

测量压强的​​国际单位是帕斯卡(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)、毫米汞柱(mm Hg)和托。 

一个装满气体的容器内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这些原子和分子的撞击力的平均值。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，气压就是地面上方的空气重量的函数。因此，海拔越高，气压越低。同样，潜水员或潜水艇潜入海洋越深，水压越大。

压强测量可分为静态压强和动态压强。没有运动时的压强称为静态压强。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，随着水喷涌而出，水压就会降低。要对压强进行全面的测量就必须考虑其所处的环境。流体、流体的压缩性和外力等许多因素都会影响压强。

压强测量

虽然压强通常以帕斯卡(Pa)为单位进行测量，但还可以根据测量类型进一步描述。 根据测量类型，压强有3种表示方法：绝对压强、表压和差压。绝对压强是指真空条件下的压强，而表压和差压指的是另一种压强，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。绝对压强等于待测压强与大气压之和。因此，在测量绝对压强时需要考虑大气压的影响。这种类型的测量非常适用于使用高度计测量的大气压或真空压强。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）来表示。

表压

表压是指相对于环境大气压的压强。这意味着，参考压强和待测压强都会受到大气压的影响。因此，表压测量应排除大气压的影响。这类测量包括胎压和血压测量。类似于绝对压强，表压通常使用缩写Pag（帕斯卡表压）或psig（磅每平方英寸表压）来表示。

差压

差压类似于表压；然而，参考压强是系统的另一个压强点，而不是环境大气压。这种方法可以用来维持两个容器之间的相对压强，如压缩机油箱和相关油路管线之间的相对压强。差压还通常使用缩写Pad（帕斯卡差压）或psid（磅每平方英寸差压）来表示。

选择合适的压力传感器

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压力传感器设计各不相同。通常可以通过检测与流体对齐的膜片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。根据已知的膜片面积，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。

三种最常用的压力换能器类型是桥式传感器（基于应变计）、可变电容传感器和压电式传感器。

桥式传感器

桥式传感器可通过惠斯通电桥中一个或多个电桥臂阻值的变化，测量压力等各种物理现象。这类传感器是最常见的传感器类型，因为它们提供的解决方案可满足不同的精度、尺寸、坚固性和成本限制。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。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，这个变化可以使用具有调理功能的DAQ系统进行测量。您可以将箔式应变计直接绑到膜片上或者绑到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上，然后使用传输液将膜片的压力传送到衬底。

由于结构简单、经久耐用且成本较低，这些传感器便成为了高通道系统的理想选择。一般情况下，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重载能力。由于硅应变计的灵敏度更高，因此也通常用于低压（约2k Pa）应用。

电容式压力传感器和压电传感器

可变电容压力换能器可测量金属膜片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。

压电传感器基于石英晶体的电性能，而不是电阻桥换能器的电性能。这些晶体在受到压力时产生电荷。电极将晶体产生的电荷传输给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。

电容和压电式压力换能器通常较为稳定，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产生的压力。由于其出色的动态性能，压电式传感器的价格最高，而且其晶核非常灵敏，需要小心保护。

具有调理功能的压力传感器

包含集成电路（比如放大器）的传感器称为放大传感器。这类传感器可能基于桥式、电容式或压电式换能器制造而成。对于桥式放大传感器，传感器本身提供了使用DAQ设备直接测量压力所需的补全电阻和放大组件。虽然仍必须提供激励，但激励的精度并没有那么重要。

具有调理功能的传感器通常更昂贵，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供电，就可以直接将传感器连接到DAQ设备。如果使用的是不具有调理功能的桥式压力传感器，则您的硬件需要能够进行信号调理。请查看传感器文档，确定您是否需要额外的放大或滤波组件。

压力传感器的信号调理

桥式压力传感器是当前最为常用的压力传感器。一个有效的桥式压力测量系统需要考虑几个信号调理元素。您可能需要进行以下一项或多项操作：

• 提供激励，可为惠斯通桥电路供电
• 遥感探测，可补偿长导线的激励电压误差
• 放大，可提高测量精度和信噪比
• 滤波，可去除外部高频噪声
• 偏移归零，当未施加任何应力时，可将桥输出平衡至0 V
• 分流校准，可根据已知的预期值验证桥的输出

如需了解如何补偿这些误差以及桥式压力测量的其他硬件考量因素，请下载精确传感器测量工程师指南。