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實現測壓元件或壓力傳感器測量

摘要： NI技術文章，介紹如何實現測壓元件或壓力傳感器測量

關鍵詞： 傳感器與數據采集壓力傳感器 NI

Abstract：

Key words :

測壓元件及壓力傳感器– 工作原理綜述

測壓元件是一種將機械力轉化為電信號的傳感器。不同類型的測壓元件工作原理也不盡相同，但現在最常用的是應變式測壓元件。顧名思義，應變式測壓元件通過應變片陣列感知結構體的變形，并將應變轉化為電信號。

壓力傳感器的工作原理也是如此。應變計安裝在承壓梁上，測量承壓梁的變形，應變和承受壓力成正比。以下各部分描述了應變式測壓元件的工作原理及如何進行測量，當然原理也適用于應變式壓力傳感器。

在理解測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，應變計通過測量變形（應變）來得到所施加的壓力（載荷）。應變由長度的微分變量定義，更確切些說，應變是長度的變化dL除以原長L，這個量的變化與附加的載荷成正比。圖1解釋了這個概念。通過測量應變及了解受力結構體的物理特性，我們可以精確計算出壓力。

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圖1.應變

應力測量有多種方法，最常用的方法是采用應變計，它的電阻變化隨施加的應力成正比。最常用的應變計是膠合金屬應變計，如圖2所示。

圖2.膠合金屬應變計

由應力變化，導致電阻變化，當然其變化非常微小，我們需要通過電路放大這一的變化。測壓元件中最常用的電路結構稱為惠斯通電橋。常規的惠斯通電橋如圖3所示，有4個橋臂組成，通過激勵電壓VEX 進行工作。

圖3.惠斯通電橋

電橋輸出電壓VO的表達式如下式：

測壓元件通常在惠斯通電橋中采用四個應變計，使電路的每個橋臂都起作用。這一結構被稱為全橋。使用全橋結構極大地提高了電路對應力變化的靈敏度，使測量更精確。盡管有更多關于惠斯通電橋的深入理論，但您不需要去知道，因為測壓元件通常是一個“黑箱”，帶有兩線激勵信號（0 V and Vex）及兩線的輸出信號（AI+ and AI-）。測壓元件的制造商為每個器件作了標定曲線，標明了輸出電壓與特定載荷之間的關系。

如何實現測壓元件/壓力傳感器測量

以下部分描述了進行有效的測壓元件/壓力傳感器測量所需的數據采集及信號調理設備。基本的測量需要包括：激勵、信號放大、平衡電橋。

電橋激勵

測壓元件的信號調理電路通常提供了恒定的電壓源來給電橋供電。雖然在工業范圍內沒有規定標準的電壓大小，但激勵電壓一般在3到10伏之間。更高的激勵電壓能夠成比例產生更高的輸出電壓，但同時由于自身發熱，會導致更高的誤差。很重要的一點是，激勵電壓必須非常精確穩定。

信號放大

測壓元件及電橋的輸出相對來說是個小量。實際應用中，大多數測壓元件及基于負載的傳感器輸出都小于10 mV/V（每伏激勵電壓的輸出電壓為10 mV）。10伏的激勵電壓，輸出信號為100 mV。因此測壓元件的信號調理電路通常包括放大部分來增強信號，以增加測量的分辨率、改善信噪比。

電橋平衡，零位調整

安裝完的電橋很難保證在零應力狀態下輸出精確為零，橋臂電阻阻值及導線電阻等的微小差異都將導致電橋輸出非零的初始偏移電壓。以下方法能夠解決系統初始偏移電壓的問題。

軟件補償 – 第一種補償偏移電壓的方法是在軟件中補償。在使用前進行一次初始測試，我們稱之為自穩零。這個方法簡單、快速，無需手動調整。但缺點是，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，進而限制了測量的動態范圍。
零位調整電路 – 第二種平衡方法是采用可變電阻或電位計，將電橋輸出電壓調零。通過調節電位計來控制電橋輸出，可將初始輸出調為零。
緩沖零位調整 – 第三種方法和軟件補償法類似，并不直接作用于電橋。緩沖調零法在調零電路的放大輸出端增加一個可調的DC電壓。

測壓元件或壓力傳感器與測量儀器的連接

這一部分中我們將研究一個測量實例，采用了NI cDAQ-9172機箱及NI 9237 C系列應變規模塊（見圖4）。使用不同測量設備時操作步驟是類似的。

圖4. NI CompactDAQ系統

需要的設備包括：

- 適用于NI CompactDAQ的cDAQ-9172 8槽高速USB機箱

- NI 9237 4通道，±25 mV/V，24-bit同步電橋模塊

- 全橋測壓元件

NI 9237帶有4個RJ-50插座，可以和4個半橋或全橋連接。圖5列出了每個接口對應終端的信號名，以及10p10c的RJ-50模塊化插頭和NI 9237插座。NI 9237還包括一個4針連接器，可用于連接外部激勵電壓源。圖6標明了NI 9237模塊底部的連接器位置，同時還說明了全橋結構的連接方式。