如何使用压力传感器测量压强
1. 什么是压强?
压强是指流体对其周围每单位面积施加的力。例如, 压强P是力F和面积A的函数。
P = F/A
装满瓦斯的容器包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来自这些原子和分子的力的平均值。 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,气压就是对地面下压的空气重量的函数。 因此,海拔越高,压强越低。 同样,潜水员或潜水艇潜入海洋越深,压强越大。
压强的??SI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)以及毫米汞柱(mm Hg)。
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。 这种压强测量称为动态压强测量。 例如,气球内或水盆底部的压强会随着释放气球中的空气或倒出水盆中的水而改变。
压强水头(压头)测量的是水槽或水管中液体的静态压强。 压强水头P仅取决于所测液体的高度h和重量密度w的函数,如图1所示。
图1. 压强水头测量
大海中潜水员所受的压强等于潜水员所处的深度乘以海洋重量(64磅/立方英尺)。 潜水深度为33英尺的潜水员,其身体每平方英尺要承受2112磅的水, 等于14.7 PSI。 有趣的是,海平面的大气压也是14.7 PSI或1 atm。 因此,33英尺深的水产生的压强与5英里的空气一样! 潜水33英尺深的潜水员所承受的总压强等于空气重量与水产生的压强之和,即29.4 PSI或2 atm。
压强测量还可以通过所进行的测量类型进一步加以描述。 压强测量有三种类型:绝对压强、表压、差压。 绝对压强是指真空条件下的压强(图2)。 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)来描述。
图2. 绝对压强传感器[3]
表压是指相对于环境大气压的压强(图3)。 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。
图3.表压传感器[3]
差压类似于表压,但与测量环境大气压不同,差压是测量具体参考压强(图4)。 差压通常使用字母缩写PAD(帕斯卡差压)或PSID(磅每平方英寸差压)来描述。
图4. 差压传感器[3]
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2. 压力传感器
由于必须测量的压强的状况、范围及材料存在很大差异,因此压力传感器的设计有许多类型。 通常压强可以转换为某种中间形式,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。 三种最常用的压力传感器类型是应变计、可变电容、压电式传感器。
在所有压力传感器中,惠斯通电桥(基于应变)传感器是最常见的一种,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、表压或差压。 所有桥式传感器均使用应变计和膜片(图4)。
图4. 典型应变计压力传感器的截面[3]
粘贴式应变计压力传感器是将一个金属箔应变计实际上被粘贴至所测应变的表面上。 这些粘贴式箔片应变计(BFSG)能够多年来作为业界标准并继续得到使用,主要原因是它们对压强变化拥有1000 Hz的快速反应时间,以及大范围的操作温度。
溅射应变计生产商在膜片上喷镀一层玻璃,然后在传感器膜片上沉淀一层薄金属应变计。 溅射应变计传感器实际上在应变计元件、绝缘层和感应膜片之间形成一个分子粘层。 这些仪器最适合长时间且艰苦的测量条件。
集成电路生产商已开发出十分易用的复合压力传感器。 这些设备一般使用半导体膜片,然后在其上放置半导体应变计和温度补偿传感器。 适当的信号调理也以集成电路的形式包括在内,在指定的范围内提供与压力成线性比的dc电压或电流。
如果两块金属板距离发生变化,则两块金属板之间的电容也会随之变化。 可变电容压力传感器(图5)可测量金属膜片和固定金属板之间的电容变化。 这些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。
图5. 电容压力传感器[4]
图6. 压电式压力传感器[4]动态冲击是压强测量应用中传感器失败的一个常
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