WIKA智能數(shù)字壓力表由于顯示直觀、沒有視覺誤差和人員誤差,使用攜帶方便，量程覆蓋廣,靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。文章主要介紹了傳感器廣泛應(yīng)用的壓阻式壓力傳感器作為核心部件的智能數(shù)字壓力表結(jié)構(gòu)組成。

0.引言

壓力雖然并不是七個(gè)計(jì)量基本單位，但是在工業(yè)使用中卻被應(yīng)用。直觀顯示壓力的儀表基本的有指針式壓力表、數(shù)字壓力表、壓力變送器及各種壓力傳感器，其中數(shù)字壓力表的顯示直觀、沒有視覺誤差和人員誤差，近幾年因其智能數(shù)字壓力表的傳感器準(zhǔn)確度等級(jí)的不斷提升，無論從穩(wěn)定性還是靈敏度高都有很大提高，準(zhǔn)確度等級(jí)也越來越好，并且在數(shù)字壓力表中添加電流電壓測量信號(hào)，這樣對于現(xiàn)場應(yīng)用越來越方便，并且衍生出的壓力控制器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用與各大計(jì)量單位作為標(biāo)準(zhǔn)器使用。這里主要是針對只測量壓力值的數(shù)字壓力表的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行介紹和分析。

1.結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字壓力表大體結(jié)構(gòu)主要由以下部分組成，如圖1所示。

2.壓力模塊部分

2.1壓力傳感器

2.1.1壓力傳感器的測壓原理

WIKA壓力傳感器作為數(shù)字壓力表的核心部件，于選擇壓力傳感器的種類也非常重要，對于不同的工作環(huán)境選擇不同材質(zhì)的傳感器。工作環(huán)境相對穩(wěn)定，可以選擇準(zhǔn)確度等級(jí)高的藍(lán)寶石壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器；用于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用可以選擇電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器。針對工作原理的不同還有壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。壓阻式壓力傳感器因?yàn)槠漭^強(qiáng)的線性穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用，工作原理是單晶硅或多晶硅的壓阻效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于應(yīng)力引起能帶的變化，能量谷的能量移動(dòng),使其電阻率發(fā)生了變化的現(xiàn)象被稱之為壓阻效應(yīng)。它是C.S史密斯在1954年對硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測試中發(fā)現(xiàn)的。

壓阻效應(yīng)這個(gè)原理被用來制成各種壓力、應(yīng)力、應(yīng)變、速度、加速度傳感器，其中壓力傳感器就是把壓力學(xué)量轉(zhuǎn)換為可以進(jìn)行測量的電信號(hào)，壓阻式壓力傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

壓阻式壓力傳感器的物理原理主要來自于惠斯頓電橋原理。因?yàn)閭鞲衅魇艿酵饨绲膽?yīng)變力之后發(fā)生變化，這個(gè)變化量不便于直接測量，要將其轉(zhuǎn)化為測量起來更方便的電流或電壓的變化,故用到了由四個(gè)電阻構(gòu)成的惠斯頓電橋。其中電橋平衡時(shí)，電橋相對臂電阻的乘積相等。這也是電橋的平衡條件。如上圖四個(gè)精密電阻及11、Rl2、21和RP組成電橋，根據(jù)原理R11=R12=R21=RP，輸出電壓為零，此時(shí)電橋是平衡的。當(dāng)外界壓力作用于電阻時(shí)，首先Re阻值增大，之后便會(huì)引起一連串的變化。

2.1.2壓力傳感器的靈敏度

壓力傳感器靈敏度是指傳感器輸出變化量與相應(yīng)的輸入變化量之比。壓力傳感器受到外力影響,膜片產(chǎn)生彈性形變,輸出的靈敏度受到彈性膜片的平面尺寸、薄厚程度、形變的強(qiáng)烈程度的直接影響,這些影響主要是對于壓力傳感器的制作工藝的要求，當(dāng)然靈敏度也受到外界溫度、受力介質(zhì)、受力面是否均勻等等外界的影響,這些外界的影響在調(diào)整好工作環(huán)境之后都可以消除,并且在數(shù)據(jù)處理后期可以將外界的溫度影響進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償和修正。靈敏度是衡量傳感器的重要指標(biāo)之也是參與周期穩(wěn)定性計(jì)算的重要參數(shù),對于數(shù)字壓力表的結(jié)構(gòu)組成來說,選擇壓力傳感器是非常重要的第1步。

2.2信號(hào)處理

壓力模塊部分除了重要的壓力傳感器之外還包括A/D轉(zhuǎn)換,單片機(jī),電源管理電路,恒流源,溫度補(bǔ)償電路幾個(gè)電信號(hào)處理部分,原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

如圖所示，壓力傳感器輸出信號(hào)V要經(jīng)過放大器（圖4)調(diào)整出便于測量和采集的電壓信號(hào),輸入到A/D轉(zhuǎn)換單元,A/D轉(zhuǎn)換單元的作用是將模擬信號(hào)源轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)源,再輸入到單片機(jī)內(nèi)（圖5)處理。溫度測量端是在數(shù)字溫度表內(nèi)部加入溫度傳感器，傳感器對于環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，測得的溫度信號(hào)變?yōu)轭l率信號(hào)通過T端傳入到單片機(jī)中，進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算。因?yàn)闇囟葴y量端的加入之后，在使用數(shù)字壓力表和對于數(shù)字壓力表進(jìn)行計(jì)量測量時(shí)要保證在當(dāng)前環(huán)境下待機(jī)預(yù)熱半小時(shí)以上開始工作，保證數(shù)字壓力表的數(shù)字真實(shí)有效。

3.智能主機(jī)

主機(jī)采用微機(jī)控制器，主要是為了解決微機(jī)、主機(jī)和壓力模塊三方通信協(xié)調(diào)時(shí)，主機(jī)將數(shù)據(jù)分時(shí)發(fā)送給微機(jī)和壓力模塊。

智能主機(jī)主要的作用除了基本的對于單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的接收，壓力數(shù)值的顯示和校準(zhǔn)壓力模塊部分的程序意外，還要負(fù)責(zé)交直流供電電源的管理，防止出現(xiàn)電池的過放和過充的處理程序。如果帶有電壓電流信號(hào)的智能數(shù)字壓力表還應(yīng)該需要具備直流電壓、電流信號(hào)的精密測量；顯示控制（圖6)和鍵盤控制(圖7)進(jìn)行和微機(jī)的通信等。獨(dú)供電時(shí)，壓力表能夠正常工作，電池和交流配電器同時(shí)供電時(shí)，優(yōu)先選擇交流供電器為壓力表進(jìn)行供電；對于電池的充放電進(jìn)行管理，當(dāng)電池即將用完無法正常工作時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示或者自動(dòng)關(guān)機(jī)，保證數(shù)字壓力表表的數(shù)據(jù)的正?？煽亢驼鎸?shí)，當(dāng)交流適配器給電池充電時(shí)，充滿時(shí)間后自動(dòng)終止充電（圖8)。

4.結(jié)束語

本文主要介紹了智能數(shù)字壓力表的設(shè)計(jì)，總體上分為壓力模塊和智能主機(jī)兩部分。前半部分主要是對于壓力傳感器的選擇和壓力信號(hào)放大和以及壓力數(shù)據(jù)補(bǔ)償?shù)奶幚?，后半部分主要解決電源管理電路和微機(jī)、主機(jī)和壓力模塊三方通信協(xié)調(diào)的問題。

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