測壓元件及壓力傳感器– 工作原理綜述

測壓元件是一種將機械力轉(zhuǎn)化為電信號的傳感器,。不同類型的測壓元件工作原理也不盡相同,，但現(xiàn)在最常用的是應(yīng)變式測壓元件,。顧名思義,，應(yīng)變式測壓元件通過應(yīng)變片陣列感知結(jié)構(gòu)體的變形,，并將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號,。

壓力傳感器的工作原理也是如此,。應(yīng)變計安裝在承壓梁上,，測量承壓梁的變形，應(yīng)變和承受壓力成正比,。以下各部分描述了應(yīng)變式測壓元件的工作原理及如何進行測量,，當(dāng)然原理也適用于應(yīng)變式壓力傳感器。

在理解測壓元件的是工作原理之前,，首先得了解原理背后的基本理論,。如前所述，應(yīng)變計通過測量變形（應(yīng)變）來得到所施加的壓力（載荷）,。應(yīng)變由長度的微分變量定義,，更確切些說，應(yīng)變是長度的變化dL除以原長L,，這個量的變化與附加的載荷成正比,。圖1解釋了這個概念,。通過測量應(yīng)變及了解受力結(jié)構(gòu)體的物理特性，我們可以精確計算出壓力,。

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圖1.應(yīng)變

應(yīng)力測量有多種方法,，最常用的方法是采用應(yīng)變計，它的電阻變化隨施加的應(yīng)力成正比,。最常用的應(yīng)變計是膠合金屬應(yīng)變計,，如圖2所示。

圖2.膠合金屬應(yīng)變計

由應(yīng)力變化,，導(dǎo)致電阻變化,，當(dāng)然其變化非常微小，我們需要通過電路放大這一的變化,。測壓元件中最常用的電路結(jié)構(gòu)稱為惠斯通電橋,。常規(guī)的惠斯通電橋如圖3所示，有4個橋臂組成,，通過激勵電壓VEX 進行工作,。

圖3.惠斯通電橋

電橋輸出電壓VO的表達式如下式：

測壓元件通常在惠斯通電橋中采用四個應(yīng)變計，使電路的每個橋臂都起作用,。這一結(jié)構(gòu)被稱為全橋,。使用全橋結(jié)構(gòu)極大地提高了電路對應(yīng)力變化的靈敏度，使測量更精確,。盡管有更多關(guān)于惠斯通電橋的深入理論,，但您不需要去知道，因為測壓元件通常是一個“黑箱”,，帶有兩線激勵信號（0 V and Vex）及兩線的輸出信號（AI+ and AI-）,。測壓元件的制造商為每個器件作了標(biāo)定曲線，標(biāo)明了輸出電壓與特定載荷之間的關(guān)系,。

如何實現(xiàn)測壓元件/壓力傳感器測量

以下部分描述了進行有效的測壓元件/壓力傳感器測量所需的數(shù)據(jù)采集及信號調(diào)理設(shè)備,。基本的測量需要包括：激勵,、信號放大,、平衡電橋。

電橋激勵

測壓元件的信號調(diào)理電路通常提供了恒定的電壓源來給電橋供電,。雖然在工業(yè)范圍內(nèi)沒有規(guī)定標(biāo)準的電壓大小,，但激勵電壓一般在3到10伏之間。更高的激勵電壓能夠成比例產(chǎn)生更高的輸出電壓,，但同時由于自身發(fā)熱,，會導(dǎo)致更高的誤差。很重要的一點是，激勵電壓必須非常精確穩(wěn)定,。

信號放大

測壓元件及電橋的輸出相對來說是個小量。實際應(yīng)用中,，大多數(shù)測壓元件及基于負載的傳感器輸出都小于10 mV/V（每伏激勵電壓的輸出電壓為10 mV）,。10伏的激勵電壓，輸出信號為100 mV,。因此測壓元件的信號調(diào)理電路通常包括放大部分來增強信號,，以增加測量的分辨率、改善信噪比,。

電橋平衡,，零位調(diào)整

安裝完的電橋很難保證在零應(yīng)力狀態(tài)下輸出精確為零，橋臂電阻阻值及導(dǎo)線電阻等的微小差異都將導(dǎo)致電橋輸出非零的初始偏移電壓,。以下方法能夠解決系統(tǒng)初始偏移電壓的問題,。

1. 軟件補償 – 第一種補償偏移電壓的方法是在軟件中補償。在使用前進行一次初始測試,，我們稱之為自穩(wěn)零,。這個方法簡單、快速,，無需手動調(diào)整,。但缺點是，電橋的偏移輸出并沒有消除,。在偏移較大的情況下,，限制了輸出電壓放大器的增益，進而限制了測量的動態(tài)范圍,。
2. 零位調(diào)整電路 – 第二種平衡方法是采用可變電阻或電位計,，將電橋輸出電壓調(diào)零。通過調(diào)節(jié)電位計來控制電橋輸出,，可將初始輸出調(diào)為零,。
3. 緩沖零位調(diào)整 – 第三種方法和軟件補償法類似，并不直接作用于電橋,。緩沖調(diào)零法在調(diào)零電路的放大輸出端增加一個可調(diào)的DC電壓,。

測壓元件或壓力傳感器與測量儀器的連接

這一部分中我們將研究一個測量實例，采用了NI cDAQ-9172機箱及NI 9237 C系列應(yīng)變規(guī)模塊（見圖4）,。使用不同測量設(shè)備時操作步驟是類似的,。

 圖4. NI CompactDAQ系統(tǒng)

需要的設(shè)備包括：

-          適用于NI CompactDAQ的cDAQ-9172 8槽高速USB機箱

-          NI 9237 4通道，±25 mV/V,，24-bit同步電橋模塊

-          全橋測壓元件

NI 9237帶有4個RJ-50插座,，可以和4個半橋或全橋連接。圖5列出了每個接口對應(yīng)終端的信號名,，以及10p10c的RJ-50模塊化插頭和NI 9237插座,。NI 9237還包括一個4針連接器,，可用于連接外部激勵電壓源。圖6標(biāo)明了NI 9237模塊底部的連接器位置,，同時還說明了全橋結(jié)構(gòu)的連接方式,。

圖5. NI 9237終端名

圖6.全橋結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)方式

測量的可視化：NI LabVIEW

將傳感器與測量設(shè)備連接后，您可以通過LabVIEW圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)傳輸入計算機,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化及分析,。

圖7的示例中，在LabVIEW編程環(huán)境下,，可將應(yīng)力測量數(shù)據(jù)在指示圖表中顯示。

圖7. LabVIEW前面板顯示負載數(shù)據(jù)