測(cè)壓元件及壓力傳感器– 工作原理綜述

測(cè)壓元件是一種將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的傳感器。不同類型的測(cè)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(cè)壓元件。顧名思義，應(yīng)變式測(cè)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(hào)。

壓力傳感器的工作原理也是如此。應(yīng)變計(jì)安裝在承壓梁上，測(cè)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(cè)壓元件的工作原理及如何進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)然原理也適用于應(yīng)變式壓力傳感器。

在理解測(cè)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(jì)通過測(cè)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(gè)量的變化與附加的載荷成正比。圖1解釋了這個(gè)概念。通過測(cè)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(jì)算出壓力。

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圖1.應(yīng)變

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

圖2.膠合金屬應(yīng)變計(jì)

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(cè)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(gè)橋臂組成，通過激勵(lì)電壓VEX 進(jìn)行工作。

圖3.惠斯通電橋

電橋輸出電壓VO的表達(dá)式如下式：

測(cè)壓元件通常在惠斯通電橋中采用四個(gè)應(yīng)變計(jì)，使電路的每個(gè)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(duì)應(yīng)力變化的靈敏度，使測(cè)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?yàn)闇y(cè)壓元件通常是一個(gè)“黑箱”，帶有兩線激勵(lì)信號(hào)（0 V and Vex）及兩線的輸出信號(hào)（AI+ and AI-）。測(cè)壓元件的制造商為每個(gè)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(shí)現(xiàn)測(cè)壓元件/壓力傳感器測(cè)量

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

電橋激勵(lì)

測(cè)壓元件的信號(hào)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(zhǔn)的電壓大小，但激勵(lì)電壓一般在3到10伏之間。更高的激勵(lì)電壓能夠成比例產(chǎn)生更高的輸出電壓，但同時(shí)由于自身發(fā)熱，會(huì)導(dǎo)致更高的誤差。很重要的一點(diǎn)是，激勵(lì)電壓必須非常精確穩(wěn)定。

信號(hào)放大

測(cè)壓元件及電橋的輸出相對(duì)來說是個(gè)小量。實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)測(cè)壓元件及基于負(fù)載的傳感器輸出都小于10 mV/V（每伏激勵(lì)電壓的輸出電壓為10 mV）。10伏的激勵(lì)電壓，輸出信號(hào)為100 mV。因此測(cè)壓元件的信號(hào)調(diào)理電路通常包括放大部分來增強(qiáng)信號(hào)，以增加測(cè)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(bǔ)償 – 第一種補(bǔ)償偏移電壓的方法是在軟件中補(bǔ)償。在使用前進(jìn)行一次初始測(cè)試，我們稱之為自穩(wěn)零。這個(gè)方法簡(jiǎn)單、快速，無需手動(dòng)調(diào)整。但缺點(diǎn)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(jìn)而限制了測(cè)量的動(dòng)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(jì)，將電橋輸出電壓調(diào)零。通過調(diào)節(jié)電位計(jì)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(bǔ)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(gè)可調(diào)的DC電壓。

測(cè)壓元件或壓力傳感器與測(cè)量儀器的連接

這一部分中我們將研究一個(gè)測(cè)量實(shí)例，采用了NI cDAQ-9172機(jī)箱及NI 9237 C系列應(yīng)變規(guī)模塊（見圖4）。使用不同測(cè)量設(shè)備時(shí)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(jī)箱

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

-          全橋測(cè)壓元件

NI 9237帶有4個(gè)RJ-50插座，可以和4個(gè)半橋或全橋連接。圖5列出了每個(gè)接口對(duì)應(yīng)終端的信號(hào)名，以及10p10c的RJ-50模塊化插頭和NI 9237插座。NI 9237還包括一個(gè)4針連接器，可用于連接外部激勵(lì)電壓源。圖6標(biāo)明了NI 9237模塊底部的連接器位置，同時(shí)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(cè)量的可視化：NI LabVIEW

將傳感器與測(cè)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(jì)算機(jī)，實(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)在指示圖表中顯示。

圖7. LabVIEW前面板顯示負(fù)載數(shù)據(jù)