何谓压力？
压力的定义是流体对其周围每单位面积施加的力量。举例来说，压力P是力量F和面积A的函数。
一个装满瓦斯的容器中包含无数的原子和分子，不断地在容器墙面上弹动。压力就是这些原子及分子对容器墙面的每单位面积施加的平均力量。再者，压力不一定要沿着容器墙面进行测量，可以是沿着任何平面上每单位面积的力量。举例来说，气压就是对地面下压的空气重量的函数。因此，随着高度增加，压力便减轻。同样地，当潜水夫或潜舰深潜到海洋里时，压力即增加。压力的SI单位是Pascal（N/m2），但是其它常用的压力单位包括每平方吋的磅数（PSI）、气压（atm）、巴（bar）、以吋计算的水银高度（单位Hg），以及以毫米计算的水银高度（mm Hg）。
压力测量可以描述为静态或动态。在没有运动的容器中的压力被称为静态压力。静态压力的范例包括气球里的空气或浴缸里的水。通常流体的运动会改变施加于其周围的力量；这种压力称为动态压力。举例来说，当气球里的空气释出，或水从浴缸里放出来时，气球里的压力或浴缸底部的压力就会改变。
柱头压（head pressure；或称压头）测量的是液体在容器或水管中的静态压力。柱头压P是液体高度h和受测量液体的重量密度w的函数，如(图一)所示。
在海洋中游泳的潜水夫所承受的压力是潜水夫的深度乘以海洋的重量（每平方呎64磅）。潜入海中33呎的潜水夫身上每平方呎要承受2112磅的水，等于14.7 PSI。有趣的是，海平面上的大气压力也是14.7 PSI或1 atm。因此，33 呎深的水产生的压力和5哩的空气一样！潜水33呎深的潜水夫所承受的总压力是空气和水的重量造成的，也就是29.4 PSI或2 atm。
压力度量也可以根据所进行的测量类型进一步加以描述。一种有三种压力度量：绝对压力（absolute）、计示压力（gauge pressure），以及差压（differential pressure）。绝对压力度量是和真空的相对度量，如(图二)所示。通常使用缩写PAA（Pascals Absolute）或PSIA（Pounds per Square Inch Absolute）来描述绝对压力。
计示压力则以气压为相对标准进行测量，如(图三)所示。和绝对压力类似，PAG（Pascals Gauge）或PSIA（Pounds per Square Inch Gauge）等缩写被用来描述计示压力。
差压类似计示压力，但是不以环境的气压为对照标准，而是根据特定的参考压力进行测量，如(图四)所示。同时，缩写PAD（Pascals Differential）或PSID （Pounds per Square Inch Differential）被用来描述差压。
压力传感器
由于必须测量压力的状况、范围以及材料有极大的变化，因此有许多种不同类型的压力传感器设计。通常压力可以被转换为某种中间形态，例如位移。然后传感器将这个度量转换为电力输出，例如电压或电流。这种形态的三种最普遍的压力换能器为应变规、可变电容以及压电计。
在所有的压力传感器当中，Wheatstone网桥（以张力为基础）传感器是最常见的，为各种不同的准确度、大小、坚固性及成本限制提供解决方案。桥接传感器用在高压及低压应用中，而且可以测量绝对压力、计示压力或差压。所有的桥接传感器都使用一个张力计和一个隔板，如(图四)所示。
当压力变化导致隔板变形时，应变规就产生对应的电阻变化，可以用数据撷取（DAQ）系统测得。这些应变规换能器也有多种类型：黏式应变规、溅镀应变规以及半导体应变规。
黏式应变规（bonded strain gauge）压力传感器是将一个金属箔片应变规黏贴至欲测量张力的表面上。这些黏式箔片应变规（BFSG）成为业界标准已经多年，而且继续获得使用，主因是它们对压力变化拥有1000 Hz的快速反应时间，以及庞大的-452°F至-525°F操作温度。
溅镀应变规（sputtered strain gauge）厂商在隔板上喷镀一层玻璃，然后在换能器的隔板上加一具薄金属应变规。溅镀应变规传感器其实是在应变规组件、隔板、以及感测隔板之间形成一个分子黏层。这些仪器最适合在长期使用以及艰难的测量环境。
整合电路厂商开发出复合压力传感器，尤其容易使用。这类设备通常使用半导体隔板，在于其上置放半导体应变规和温度补偿传感器。适当的讯号处理功能亦以整合电路的型态含括在内，在指定的范围内提供与压力成线性正比的dc电压或电流。
如果这两块隔板之间的距离改变，则两块金属板之间的电容亦改变。有一具可变电容压力换能器如(图五)测量金属隔板和固定金属板之间的电容变化。这些压力换能器通常非常稳定且呈线性，但是对于高温非常敏感，也比大部份的压力传感器难以设置。
如(图六)压电压力换能器，利用自然产生之水晶（例如石英）的电子属性。水晶在受到张力时，就会产生电流。压电压力传感器不需要外部激发源，而且非常坚固。但是这类传感器确实需要电荷放大电路，而且非常容易受到撞击和震动影响。
压力测量应用程序常见的传感器失效原因之一是动态撞击，导致传感器过载。使压力传感器过载的典型范例是所谓的水锤现象（water hammer phenomenon）。这种现象发生在快速移动的液体突然间被关闭的阀门所阻止之时。液体的冲力突然被压制，导致限制液体的容器发生突然伸展的现象。这种伸展产生一道压力突波，可能会破坏压力传感器。为了减少水锤的影响，传感器多半在传感器和压力线之间装置一个减震器。减震器通常是一个网状过滤器或烧结体（sintered material），允许加压的液体通过，但是不允许大量液体通过，因此可以在发生水锤现象时预防压力突波。减震器是在某些应用环境中保护传感器的好选择，但是在许多测试中，最高冲击压力正是要测量的对象。在这种情况下，应该选择未包含过载保护的压力传感器。
压力测量
正如以上所说明的，压力换能器的自然输出值是电压。大部份采用张力的压力换能器会输出一道很小的mV电压。这个小讯号需要多种讯号处理的考虑，将在下一节中进行讨论。此外，许多压力换能器会输出处理后的0～5V讯号或4～20 mA的电流。在换能器的工作范围内，这些输出都是线性的。举例来说，0 V和4 mA都等同于0压力。同样地，5伏特和20 mA都等同于换能器能够测量的最大压力，或全幅容量（Full Scale Capacity）。0～5V和4～20 mA讯号可以利用National Instruments Multi-function Data Acquisition（DAQ）硬件轻松测得。
就和其它的桥接式传感器一样，也有多种讯号处理的考虑。为了确保正确的桥接测量，必须考虑以下各点：
- ●Bridge completion；
- ●激发；
- ●远程感测；
- ●放大；
- ●滤波；
- ●偏移；
- ●分流器校准。
在获得可测量的电压讯号之后，该讯号必须转换为实际的压力单位。压力传感器通常在其操作范围内都会产生线性反应，因此不需要线性化，但是需要一些硬件或软件将传感器的电压输出换算为一种压力度量。你所使用的换算公式视所使用的传感器类型而定，而且会由传感器厂商提供。典型的换算公式是激发电压、传感器的全幅容量，以及一个校准系数的函数。
举例来说，一个全幅容量为10,000 PSI、校准系数为3mv/V、且获得10V DC激发电压的压力换能器会产生15mV的测得电压，测得的压力则是5000 PSI。在适当地将讯号放大之后，必须取得适当的止动位置（rest position）。压力传感器（无论是绝对压力还是计示压力）都有一个一定的强度被视为止动位置，或参考位置。应变规在这个位置上应该产生0伏特。偏移排除（offset nulling）电路会增加或移除应变规某一边的电阻，以达成这个「平衡」的位置。在确保测量准确度时，偏移排除非常重要，而且若要获得最佳的结果，应该在硬件中执行，而不要使用软件。
压力传感器的讯号处理个案
使用SCXI配合压力测量
SCXI是一款讯号处理系统，供PC数据撷取系统使用，如(图七)所示。SCXI系统包括一个有遮蔽机箱，其中容纳多种讯号处理输入及输出模块，执行多种讯号处理功能。可以直接将许多不同类型的传感器（包括绝对和计示压力传感器）连接至SCXI模块。SCXI系统作为PC插入式数据撷取（DAQ）设备（PCI或PCMCIA）或PXI DAQ模块的前端讯号处理系统。
结论
典型的SCXI系统
压力测量的DAQ系统
相關作者
相關產業類別
相關產品類別
相關網站單元