使用橋接式壓力感測器與其他壓力感測器量測壓力

什麼是壓力

壓力的定義是液體對周圍環境每單位面積所施加的力。壓力 (P) 是力 (F) 與面積 (A) 的一項函式：

P = F/A

量測壓力的國際單位 (SI unit) 是巴斯卡 (N/m2)，其他常見的壓力單位則包括磅/英吋平方 (psi)、大氣壓力 (atm)、巴 (bar)、水銀英吋 (in. Hg)、水銀公釐 (mm Hg) 與托耳 (torr)。 

充滿氣體的容器中包含無數的原子與分子，這些物質會持續在容器中的壁面反彈，其壓力則是這些原子與分子對容器中壁面所造成的每單位面積平均受力。此外，我們無須沿著容器的壁面量測壓力，而是以容器任一面的每單位面積受力量測。例如，氣壓就是空氣重量向地球推壓的作用。因此，氣壓會隨著海拔升高而降低。同理，潛水員或潛水艇越往海洋深處下潛，周遭環境的壓力就會越大。

壓力量測值可為靜態或動態。靜止動作下的壓力為靜態壓力。靜態壓力範例包括氣球內部氣壓，或是水盆內壓。液體流動通常會改變其對周遭環境的施力。舉例來說，水管噴嘴關閉時，管內水壓為每平方英吋 40 磅 (每單位面積受力)。打開噴嘴時，壓力會隨著水流出而降低。充分的壓力量測資料必須記錄當下量測環境條件。包括水流、液體壓縮率與各種外部因素在內的許多因素，都會影響壓力。

量測壓力

壓力量測通常以巴斯卡 (Pa) 為單位，但也可以用所執行的量測類型進一步說明。 三種壓力量測方法為絕對、量規與差動。絕對壓力指的是真空條件下的壓力，而量規與差動壓力則是指另一種壓力，例如大氣環境壓力或周邊血管內的壓力。

絕對壓力 (Absolute pressure)

絕對量測壓力方法為相對於 0 Pa (靜態真空壓力)。量測的壓力，除了來自受測壓力作用力之外，還有來自大氣壓力的作用力。因此，絕對壓力量測值包含大氣壓力效應。這類型量測方式非常適合量測大氣壓力，例如高度計或真空壓力中所使用的壓力。Paa (巴斯卡絕對壓力) 或 psia (每平方英吋磅數絕對壓力) 都可用來描述絕對壓力。

量規壓力 (Gauge pressure)

量規壓力是相對於大氣環境壓力的量測壓力。意思就是，參考壓力與受測壓力都會受到來自大氣壓力的作用力。因此，量規壓力量測值排除大氣壓力效應。這類型量測值包括輪胎壓力與血壓量測。與絕對壓力相似的是，Pag (巴斯卡量規壓力) 或 psig (每平方英吋磅數量規壓力) 都可用來描述量規壓力。

差動壓力 (Differential pressure)

差動壓力與量規壓力相似，不同處在於參考值是系統中的另一個壓力點，而非大氣環境壓力。您可以運用這個方法維持兩種容器之間的相對壓力，例如空壓機儲氣筒與相連的送風管線。此外，Pad (巴斯卡差動壓力) 或 psid (每平方英吋磅數差動壓力) 都可用來描述差動壓力。

選擇正確的壓力感測器

感測器結構所使用的不同量測條件、範圍與材料，可構成各式各樣的壓力感測器設計。通常您可以偵測配合流體放置的隔膜偏轉量，將壓力轉換為某種中介型態，例如位移。感測器會接著將此位移轉換為電力輸出，例如電壓或電流。在已知的隔膜範圍內，您可以接著計算壓力。壓力感測器隨附刻度，方便您轉換為各種工程單位。

三種最通用的壓力傳感器類型分別是橋接式 (使用應變規)、可變電容式與壓電式。

橋接式感測器

橋接式感測器的運作方式是將物理現象 (例如壓力)，與 Wheatstone 電橋一或多個腳的電阻變化相關聯。這種感測器所提供的解決方案能符合各種準確度、大小、耐用度與成本的限制，因此是最常見的類型。橋接式感測器能夠同時量測高壓與低壓應用中的絕對、量規或差動壓力。它們利用應變規來偵測受到施力影響的隔膜變形程度。

當壓力變化造成隔膜偏轉時，會引發應變規上相對應的電阻變化，方便您用具備處理能力的 DAQ 系統進行量測。您可以將箔式應變規直接黏在隔膜上，或是黏在以機械方式連接隔膜的元件上。有時也會使用矽應變規。使用這項方法時，必須將電阻器蝕刻到矽基板，並透過傳動軸油將壓力從隔膜傳送到基板。

這類感測器架構簡單同時堅固耐用，因此成本較低，非常適合用於高通道系統。一般來說，箔式應變規適用於高壓 (最高 700M Pa) 應用。此外，它們在作業溫度上，也比矽應變規更高 (分別是 200 °C 與 100 °C)，不過矽應變規在處理過載能力更優越。因為矽應變規更為敏感，因此較常應用於低壓環境 (~2k Pa)。

電容式壓力與壓電式感測器

可變電容壓力傳感器可量測金屬隔膜與固定金屬板之間的電容變化。當這兩個金屬板之間的距離因為施力產生變化，當中的電容也會跟著改變。

壓電式感測器仰賴石英水晶 (而非阻橋傳感器) 的電力屬性來運作。這些水晶在接受應變時會產生電荷。電極會將電荷從水晶傳導至感測器內建的放大器中。這類感測器不需要外部激發來源，但很容易受到衝擊與振動影響。

一般來說，電容式與壓電式壓力傳感器具有穩定的線性特性，但是它們對高溫非常敏感，而且設定上比大多數壓力感測器更加複雜。壓電式感測器能夠快速回應壓力變化。因此，它們經常在爆炸之類的事件中用來進行快速壓力量測。具有優越動態效能的壓電式感測器最不具經濟效益，因此必須小心保護敏感的水晶核心。

具備處理能力的壓力感測器

內含積體電路 (例如放大器) 的感測器，稱為放大感測器。這類型感測器可使用橋接式、電容式或壓電式傳感器來組成。使用橋接式放大感測器時，裝置本身提供補償電阻器與放大功能以便直接使用 DAQ 裝置量測壓力。雖然還是必須提供激發能力，激發準確度已經不是那麼重要。

通常備有處理功能的感測器會比較貴，因為搭載了濾波與訊號放大元件，以及量測用的激發引線與規律電路。對於不保證提供專屬訊號處理系統的低通道系統來說，這項設計有其用處。因為處理功能已經內建，只要您可以某種方式為感測器供電，就可以將感測器直接連接到 DAQ 裝置。如果要使用無處理功能的橋接式壓力感測器，硬體就必須備有訊號處理功能。請參閱感測器的相關說明文件，以便確認是否需要額外的放大或濾波元件。

壓力感測器的訊號處理功能

橋接式感測器是目前最常見的壓力感測器。若要架構有效的橋接式壓力量測系統，您必須考慮多種訊號處理元件。您可能需要使用下列其中一項或更多功能：

• 透過激發來驅動 Wheatstone 橋接電路
• 透過遠端感測功能來補償長距離引線的激發電壓錯誤
• 透過放大電流來增加量測解析度，並提升訊噪比
• 透過濾波來移除外來的高頻雜訊
• 在未使用應變時，透過偏移消除將橋接電壓平衡為輸出 0 V
• 透過分流器校準來驗證橋接輸出電壓是否為已知的預期數值

如欲了解如何補償這些錯誤，並查閱有關橋接式壓力量測的其他硬體考量因素，請下載「準確量測感測器工程師指南 (Engineer's Guide to Accurate Sensor Measurements)」。