技術指南:認識壓力感測器及量測原理

十二月 28, 2017
Facebook
Twitter
本文資訊協助您了解基本壓力概念以及各種壓力感測器的運作方式。每一種感測器都有自己獨特的運作原理、優勢、考量與缺點,您可以依照自己的需求選擇。除了感測器特性,您還需要考慮所需的硬體,以正確處理並取得壓力量測數值。例如,不具備處理功能的壓力感測器需要電壓激發,而此功能只在特定量測硬體中提供。

什麼是壓力(pressure)?

壓力是液體施加在周圍環境的每單位面積力。壓力(P)是力(F)與面積(A)的一項函數:

P=F/A

壓力的SI單位為巴斯卡(N/m2),但是其他通用的壓力單位包括每平方英尺磅數(psi)、大氣壓力(atm)、巴(bar)、水銀英吋(in.Hg)、水銀公釐(mmHg)與托耳(torr)。
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尺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。

運用​控制​與​機電​整合​軟​硬體​和​課程​軟體​構成​的​生態​系統,​讓​學生​以​更​快​的​速度​了解​概念,​並建​置​與​業界​應用​連結​的​解決​方案。了解更多

壓力量測方法

壓力量測可由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圍血管壓力。
圖片

絕對壓力

圖片

量規壓力

圖片

差動壓力

1各種量測方法的壓力感測器圖表
絕對壓力
絕對量測壓力方法為相對於0Pa(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,絕對壓力量測值包括大氣壓力效應。這類型量測方式非常適合大氣壓力,例如高度計或真空壓力中所使用的壓力。Paa(巴斯卡絕對壓力縮寫)或psia(每平方英尺磅數絕對壓力縮寫)都可用來描述絕對壓力。

量規壓力
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)或psig(每平方英尺磅數量規)都可用來描述量規壓力。

差動壓力
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(每平方英尺磅數差動壓力)都可用來描述差動壓力。

壓力感測器運作方式為何?

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,例如移位。感測器會接著將此移位轉換為電力輸出,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(使用應變量規)、可變電容式與壓電式。

橋接式
在所有壓力感測器當中,Wheatstone橋接式(基於應變)感測器是最常見的一種,因為這類感測器所提供的解決方案能夠符合各種不同的準確度、尺寸、耐用度與成本限制。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。

圖片

圖2:傳統橋接式壓力感測器橫切面

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。

電容式壓力感測器
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。

圖片

圖3:電容壓力感測器

壓電式壓力感測器
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。這些水晶會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,但很容易受到撞擊與振動影響。
圖片

圖4:壓電式壓力感測器

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。
 
光學壓力感測器
使用光學感測方式量測壓力具有許多優點,包括抗擾性與隔離特性。

如何選擇正確的壓力感測器類型?

橋接式或壓阻式感測器結構簡單且非常耐用,是最常見的壓力感測器類型。此特性不僅有助於降低成本,更適合通道眾多的系統應用。一般來說,箔式應變規適用於高壓(最高700MPa)應用。此外,它們在作業溫度上,也比箔式應變規更高(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(~2kPa)。

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成本效益最低,因此必須小心保護敏感的水晶核心。

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,以及量測用的激發導線與規律電路。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需求

橋接式壓力感測器是目前最常見的壓力感測器。在組建高效率的橋接式壓力量測系統時,您需要考慮到多項訊號處理要素。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導線的激發電壓錯誤
  • 透過電流放大來增加量測解析度,同時提升訊噪比
  • 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0V
  • 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
可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。

NI國家儀器透過​緊密​整合​旗下​軟​硬體,​建​置​出​多項​備受​業界​推崇​的​系統​設計​功能​與​技術。並與Quanser等公司攜手​打造​多項​實驗室​解決​方案,​可​協助​控制​與​機電​領域​的​學生​透過​整合​式​環境,​善加​運用​各種​控制​系統、​機電​感​測​器、​致​動​器​與​介面卡​基本​原理。​

了解更多控制與機電整合教學

(提供:NI國家儀器)

Social media & sharing icons powered by UltimatelySocial