概覽 本文提供的信息有助于您了解基本的壓力概念以及壓力傳感器的工作原理。 您可以選擇各種傳感器，每種傳感器的工作原理、優勢、注意事項和缺點各不相同。 除了傳感器特性外，必須考慮所需的硬件，以便適當地調理和采集壓力測量數據。 例如，未經調理的壓力傳感器需要電壓激勵，這個功能只有在某些測量硬件才可用。 如果要進一步了解壓力測量所需的測量硬件，請下載。 1. 什么是壓強？ 壓強定義為流體對其周圍每單位面積施加的力。 壓強P是力F和面積A的函數： P = F/A 壓強的SI單位是帕斯卡(N/m2)，但其他常用的壓強單位包括磅/每平方英寸(psi)、大氣壓(atm)、bar、英寸汞柱(in. Hg)、毫米汞柱(mm Hg)和托。 壓強測量可分為靜態和動態。 沒有運動時的壓強即為靜態壓強。 靜態壓強的例子包括氣球內的壓強或水盆內水壓。 通常，流體的運動會改變其施加給周圍的力。 例如，假設噴頭關閉時軟管中的水壓為40磅每平方英寸（每單位面積的力）。 打開噴頭，壓強就會隨水噴出來而降低。 全面的壓力測量必須考慮其所處的環境。 許多因素，包括流體、流體的壓縮性和外力都會影響壓強。 圖1. 不同測量方法的壓力傳感器原理圖 2. 壓力測量方法 壓力測量還可以通過所執行的測量類型進行描述。 測量壓力有三種方法：絕對壓強、表壓、壓差。 絕對壓強是指真空條件下的壓強，而表壓和壓差指的是另一種壓強，比如環境大氣壓或相鄰容器的壓強。 絕對壓強 絕對壓強測量方法是相對于0 Pa時真空下的靜態壓強。 所測量的壓強等于待測壓強加上大氣壓。 因此，絕對壓強測量需要考慮大氣壓的影響。 這種類型的測量非常適合使用高度計測量的大氣壓或真空壓強。 通常，通常使用字母縮寫Paa（帕斯卡絕對壓強）或psia（磅每平方英寸絕對）來描述絕對壓強。 表壓 表壓是指相對于環境大氣壓的壓強。 這意味著，基準壓強和待測壓強都會受到大氣壓的影響。 因此，表壓測量排除了大氣壓的影響。 這些類型的測量包括輪胎壓強和血壓測量。 類似于絕對壓強，表壓通常使用字母縮寫Pag（帕斯卡表壓）或psig（磅每平方英寸表壓）來描述。 壓差 壓差類似于表壓；不同的是，基準壓強是系統的另一個壓強點，而不是環境大氣壓。 您可以使用這種方法來維持兩個容器之間的相對壓強，如壓縮機油箱和相關饋電線之間的相對壓強。 我們通常使用字母縮寫Pad （帕斯卡壓差）或PSID（磅每平方英寸壓差）來描述壓差。 3. 壓強傳感器的工作原理 不同的測量條件、范圍以及傳感器結構使用的材料都會導致不同的壓強傳感器設計。 通常可以通過檢測膜片與流體線的偏轉量將壓強轉換為某種中間形式的量，比如位移。 然后傳感器將位移轉換成電輸出，比如電壓或電流。 由于薄膜的面積已知，我們就可以計算出壓強。 壓強傳感器內包含了一個換算器，可將壓強轉換為工程單位。 三種最常用的壓強傳感器類型是橋式傳感器（基于應變計）、電容式傳感器、壓電式傳感器。 橋式 在所有壓強傳感器中，惠斯登電橋（基于應變）傳感器是最常見的一種，因為它們提供的解決方案能夠滿足不同的精度、尺寸、堅固性和成本需求。 橋式傳感器可以測量高壓和低壓應用的絕對壓強、表壓或壓差。 這類傳感器使用應變計來檢測膜片由于承受所施加的壓力而發生的形變。 圖2. 典型橋式壓強傳感器的截面[1] 當壓力的變化引起膜片偏轉時，應變計的電阻會發生相應變化，這個變化可以使用經調理的數據采集系統進行測量。 您可以將箔式應變計直接綁到膜片上或者與膜片直接機械連接的元件上。 有時也會使用硅應變計。 硅應變計是將電阻貼在硅基襯底，然后使用傳輸流體將膜片的壓力傳送到襯底。 電容式壓力傳感器 可變電容壓力傳感器可測量金屬薄膜和固定金屬板之間的電容變化。 如果兩塊金屬板由于施加的壓力而導致距離發生變化，則兩塊金屬板之間的電容也會隨之發生變化。 圖3. 電容式壓力傳感器[2] 壓電式壓力傳感器 壓電傳感器基于石英晶體的電性能，而不是電阻橋傳感器的電性能。 這些晶體在受到壓力時會產生電荷。 電極會將電荷從晶體傳送到傳感器內置的放大器。 這些傳感器不需要外部激勵源，但非常易于受到沖擊和振動的影響。 圖4. 壓電式壓力傳感器[2] 經調理的壓力傳感器 包含集成電路（比如放大器）的傳感器稱為放大傳感器。 這類傳感器包括橋式、電容式或壓電式傳感器。 對于橋式放大傳感器，傳感器本身提供了使用數據采集設備直接測量壓力所需的補全電阻器和放大電路。 雖然仍必須提供激勵，但激勵的精度并沒有那么重要。 光學壓力傳感器 使用光學感測的壓力測量有很多好處，包括抗噪性和隔離。 閱讀，了解更多關于此測量方法的信息。 4. 如何選擇合適的壓力傳感器 橋式或壓阻傳感器由于其簡單的結構和耐久性而成為最常用的傳感器。 這意味著這類傳感器的成本更低，非常適用于高通道系統。 一般情況，箔式應變計通常用于高壓（高達700M Pa）應用。 這類傳感器的工作溫度比硅應變計更高（分別是200℃和100℃），但硅應變計具有更高的超負荷能力。 由于硅應變計的靈敏度更高，因此也通常在低壓(~2k Pa)應用中使用。 電容和壓電式壓力傳感器通常較為穩定，線性度較好，但它們對高溫非常敏感，其安裝也比大部分壓力傳感器更為復雜。 壓電式傳感器可快速響應壓力的變化。 因此，這類傳感器通常用于快速測量爆炸等事件的壓力。 由于其出色的動態性能，壓電式傳感器的成本是最高的，而且其晶核非常靈敏，需要小心保護。 調理傳感器通常更昂貴，因為它們包含用于濾波和信號放大的組件、激勵導線和用于測量的常規電路元件。 這適用于不具有專用信號調理系統的低通道系統。 由于調理功能是內置的，只要以某種方式為傳感器提供電源，就可以直接將傳感器連接到DAQ設備。 如果使用的是未經調理的橋式壓力傳感器，則硬件需要信號調理。 查看傳感器文檔，確定您是否需要額外的放大或濾波組件。