壓力感測器測量壓力之個案分析

一個裝滿瓦斯的容器中包含無數的原子和分子，不斷地在容器牆面上彈動。壓力就是這些原子及分子對容器牆面的每單位面積施加的平均力量。再者，壓力不一定要沿著容器牆面進行測量，可以是沿著任何平面上每單位面積的力量。舉例來說，氣壓就是對地面下壓的空氣重量的函數。因此，隨著高度增加，壓力便減輕。同樣地，當潛水伕或潛艦深潛到海洋裡時，壓力即增加。壓力的SI單位是Pascal（N/m2），但是其它常用的壓力單位包括每平方吋的磅數（PSI）、氣壓（atm）、巴（bar）、以吋計算的水銀高度（單位Hg），以及以毫米計算的水銀高度（mm Hg）。

壓力測量可以描述為靜態或動態。在沒有運動的容器中的壓力被稱為靜態壓力。靜態壓力的範例包括氣球裡的空氣或浴缸裡的水。通常流體的運動會改變施加於其週圍的力量；這種壓力稱為動態壓力。舉例來說，當氣球裡的空氣釋出，或水從浴缸裡放出來時，氣球裡的壓力或浴缸底部的壓力就會改變。

柱頭壓（head pressure；或稱壓頭）測量的是液體在容器或水管中的靜態壓力。柱頭壓P是液體高度h和受測量液體的重量密度w的函數，如(圖一)所示。

《圖一　柱頭壓測量》

在海洋中游泳的潛水伕所承受的壓力是潛水伕的深度乘以海洋的重量（每平方呎64磅）。潛入海中33呎的潛水伕身上每平方呎要承受2112磅的水，等於14.7 PSI。有趣的是，海平面上的大氣壓力也是14.7 PSI或1 atm。因此，33 呎深的水產生的壓力和5哩的空氣一樣！潛水33呎深的潛水伕所承受的總壓力是空氣和水的重量造成的，也就是29.4 PSI或2 atm。

壓力度量也可以根據所進行的測量類型進一步加以描述。一種有三種壓力度量：絕對壓力（absolute）、計示壓力（gauge pressure），以及差壓（differential pressure）。絕對壓力度量是和真空的相對度量，如(圖二)所示。通常使用縮寫PAA（Pascals Absolute）或PSIA（Pounds per Square Inch Absolute）來描述絕對壓力。

《圖二　絕對壓力感測器》

計示壓力則以氣壓為相對標準進行測量，如(圖三)所示。和絕對壓力類似，PAG（Pascals Gauge）或PSIA（Pounds per Square Inch Gauge）等縮寫被用來描述計示壓力。

《圖三　計示壓力感測器》

差壓類似計示壓力，但是不以環境的氣壓為對照標準，而是根據特定的參考壓力進行測量，如(圖四)所示。同時，縮寫PAD（Pascals Differential）或PSID （Pounds per Square Inch Differential）被用來描述差壓。

《圖四　差壓感測器》

壓力感測器

由於必須測量壓力的狀況、範圍以及材料有極大的變化，因此有許多種不同類型的壓力感測器設計。通常壓力可以被轉換為某種中間形態，例如位移。然後感測器將這個度量轉換為電力輸出，例如電壓或電流。這種形態的三種最普遍的壓力換能器為應變規、可變電容以及壓電計。

在所有的壓力感測器當中，Wheatstone橋接器（以張力為基礎）感測器是最常見的，為各種不同的準確度、大小、堅固性及成本限制提供解決方案。橋接感測器用在高壓及低壓應用中，而且可以測量絕對壓力、計示壓力或差壓。所有的橋接感測器都使用一個張力計和一個隔板，如(圖四)所示。

《圖五　標準的應變規壓力感測器的橫面》

當壓力變化導致隔板變形時，應變規就產生對應的電阻變化，可以用資料擷取（DAQ）系統測得。這些應變規換能器也有多種類型：黏式應變規、濺鍍應變規以及半導體應變規。

黏式應變規（bonded strain gauge）壓力感測器是將一個金屬箔片應變規黏貼至欲測量張力的表面上。這些黏式箔片應變規（BFSG）成為業界標準已經多年，而且繼續獲得使用，主因是它們對壓力變化擁有1000 Hz的快速反應時間，以及龐大的-452°F至-525°F操作溫度。

濺鍍應變規（sputtered strain gauge）廠商在隔板上噴鍍一層玻璃，然後在換能器的隔板上加一具薄金屬應變規。濺鍍應變規感測器其實是在應變規元件、隔板、以及感測隔板之間形成一個分子黏層。這些儀器最適合在長期使用以及艱難的測量環境。

整合電路廠商開發出複合壓力感測器，尤其容易使用。這類設備通常使用半導體隔板，在於其上置放半導體應變規和溫度補償感測器。適當的訊號處理功能亦以整合電路的型態含括在內，在指定的範圍內提供與壓力成線性正比的dc電壓或電流。

如果這兩塊隔板之間的距離改變，則兩塊金屬板之間的電容亦改變。有一具可變電容壓力換能器如(圖五)測量金屬隔板和固定金屬板之間的電容變化。這些壓力換能器通常非常穩定且呈線性，但是對於高溫非常敏感，也比大部份的壓力感測器難以設置。

《圖六　電容壓力換能器》

如(圖六)壓電壓力換能器，利用自然產生之水晶（例如石英）的電子屬性。水晶在受到張力時，就會產生電流。壓電壓力感測器不需要外部激發源，而且非常堅固。但是這類感測器確實需要電荷放大電路，而且非常容易受到撞擊和震動影響。

《圖七　壓電壓力換能器》

壓力測量應用程式常見的感測器失效原因之一是動態撞擊，導致感測器過載。使壓力感測器過載的典型範例是所謂的水錘現象（water hammer phenomenon）。這種現象發生在快速移動的液體突然間被關閉的閥門所阻止之時。液體的衝力突然被壓制，導致限制液體的容器發生突然伸展的現象。這種伸展產生一道壓力突波，可能會破壞壓力感測器。為了減少水錘的影響，感測器多半在感測器和壓力線之間裝置一個減震器。減震器通常是一個網狀過濾器或燒結體（sintered material），允許加壓的液體通過，但是不允許大量液體通過，因此可以在發生水錘現象時預防壓力突波。減震器是在某些應用環境中保護感測器的好選擇，但是在許多測試中，最高衝擊壓力正是要測量的對象。在這種情況下，應該選擇未包含過載保護的壓力感測器。

壓力測量

正如以上所說明的，壓力換能器的自然輸出值是電壓。大部份採用張力的壓力換能器會輸出一道很小的mV電壓。這個小訊號需要多種訊號處理的考量，將在下一節中進行討論。此外，許多壓力換能器會輸出處理後的0～5V訊號或4～20 mA的電流。在換能器的工作範圍內，這些輸出都是線性的。舉例來說，0 V和4 mA都等同於0壓力。同樣地，5伏特和20 mA都等同於換能器能夠測量的最大壓力，或全幅容量（Full Scale Capacity）。0～5V和4～20 mA訊號可以利用National Instruments Multi-function Data Acquisition（DAQ）硬體輕鬆測得。

就和其它的橋接式感測器一樣，也有多種訊號處理的考量。為了確保正確的橋接測量，必須考量以下各點：

●Bridge completion；

●激發；

●遠端感測；

●放大；

●濾波；

●偏移；

●分流器校準。

在獲得可測量的電壓訊號之後，該訊號必須轉換為實際的壓力單位。壓力感測器通常在其操作範圍內都會產生線性反應，因此不需要線性化，但是需要一些硬體或軟體將感測器的電壓輸出換算為一種壓力度量。你所使用的換算公式視所使用的感測器類型而定，而且會由感測器廠商提供。典型的換算公式是激發電壓、感測器的全幅容量，以及一個校準係數的函數。

《公式二》

舉例來說，一個全幅容量為10,000 PSI、校準係數為3mv/V、且獲得10V DC激發電壓的壓力換能器會產生15mV的測得電壓，測得的壓力則是5000 PSI。在適當地將訊號放大之後，必須取得適當的止動位置（rest position）。壓力感測器（無論是絕對壓力還是計示壓力）都有一個一定的強度被視為止動位置，或參考位置。應變規在這個位置上應該產生0伏特。偏移排除（offset nulling）電路會增加或移除應變規某一邊的電阻，以達成這個「平衡」的位置。在確保測量準確度時，偏移排除非常重要，而且若要獲得最佳的結果，應該在硬體中執行，而不要使用軟體。

壓力感測器的訊號處理個案

使用SCXI配合壓力測量

SCXI是一款訊號處理系統，供PC資料擷取系統使用，如(圖七)所示。SCXI系統包括一個有遮蔽機箱，其中容納多種訊號處理輸入及輸出模組，執行多種訊號處理功能。可以直接將許多不同類型的感測器（包括絕對和計示壓力感測器）連接至SCXI模組。SCXI系統作為PC插入式資料擷取（DAQ）設備（PCI或PCMCIA）或PXI DAQ模組的前端訊號處理系統。

《圖八　典型的SCXI系統》

結論

壓力測量的DAQ系統

SCXI-1520通用應力規模組適合進行張力式壓力測量。它提供八個同步取樣類比輸入通道，各通道皆具有bridge completion、可程式激發（0～10 V）、遠端激發感測、可程式增益放大（1～1000）、一個可程式四極Butterworth濾波器（10 Hz、100 Hz,、1 kHz、10kHz）、偏移排除，以及分流器校準。SCXI-1314終端子提供螺絲終端，可以連接至感測器。此外，SCXI-1314T包括內建的TEDS讀取儀，供Class II橋接式智慧型TEDS感測器使用。（作者任職於NI）