壓力傳感器概述

在各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，經(jīng)常需要對(duì)不同的介質(zhì)壓力進(jìn)行測(cè)量和控制， 無可避免的需要用到各種壓力測(cè)量裝置，比如壓力表，壓力開關(guān)，壓力傳感器和變送器等。工程術(shù)語中的壓力，在物理學(xué)上稱之為壓強(qiáng)，描述的是作用在物體單位面積上的力，單位為Pa（帕斯卡），其中F表示力，單位是N（牛頓）, A表示面積，單位是m2 (平方米)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種電子式傳感器開始逐步替代傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)量裝置，在壓力測(cè)量領(lǐng)域，壓力傳感器，變送器，電子式壓力開關(guān)等已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力表，壓力開關(guān)等。

在JJG860-2015中，壓力傳感器通常定義為將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的裝置。JJG882-2019中，壓力變送器是指將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化信號(hào)的儀表，可以通俗的認(rèn)為壓力變送器是在壓力傳感器的基礎(chǔ)上將電信號(hào)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的二次儀表。標(biāo)準(zhǔn)化的過程可以根據(jù)不同的應(yīng)用要求靈活變化，可以是標(biāo)準(zhǔn)的電壓，電流信號(hào)，也可以是數(shù)字化傳輸?shù)母鞣N總線通訊協(xié)議等方式。

壓力傳感器根據(jù)壓力的參考端類型的不同，可以分為表壓，絕壓和差壓方式，絕壓是以絕對(duì)真空為參考起始零點(diǎn)，表壓是以當(dāng)前的大氣壓力為參考起始零點(diǎn)，差壓則是以兩個(gè)不同壓力源的壓力為參考，測(cè)量?jī)蓚€(gè)源的壓力差值。

常用的壓力傳感器，按照壓力量程劃分，可簡(jiǎn)單分為微壓（25kPa以下），低壓（25kPa~700kPa），中壓（700kPa~7MPa），中高壓(7MPa~70MPa)和高壓（70MP~500MPa）等，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ趬毫χ档慕缍ㄒ灿兄煌亩x方式。

從敏感元件的實(shí)現(xiàn)原理上看，壓力傳感器可以分為電阻式，電容式，諧振式，光學(xué)式等類型，主要是依靠不同敏感元件將壓力的物理變化轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電學(xué)信號(hào)變化。

電阻式是通過將壓力變化轉(zhuǎn)換為敏感元件上的物理形變，在形變的物理載體上，制作力學(xué)敏感電阻，將形變轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，通過組成電橋的方式測(cè)量電阻值的變化來得到壓力的變化量，常見的有擴(kuò)散硅式壓力傳感器。

電容式則是將壓力變化轉(zhuǎn)換為電容極板間的距離或者介電常數(shù)的變化，從而改變電容的容值，通過振蕩電路將容值的變化采集量化，常見的有陶瓷電容壓力傳感器。

諧振式是通過將壓力的物理變化轉(zhuǎn)換為敏感元件的諧振頻率的變化，通過信號(hào)調(diào)理電路采集頻率的變化，常見的有石英諧振，硅諧振，振動(dòng)筒等。

光學(xué)式是通過將壓力的物理變化轉(zhuǎn)換到光學(xué)信號(hào)的變化，通過測(cè)量光信號(hào)的相位變化或角位移等來采集壓力的變化，例如石英波登管。

針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求，各種傳感器原理和工藝有著不同的應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)。

在微壓測(cè)量領(lǐng)域中，由于壓力數(shù)值較小，對(duì)敏感元件產(chǎn)生的物理變化也相應(yīng)的小很多，這就要求了敏感元件需要具有較高的靈敏度。諧振式壓力傳感器由于靈敏度較高，頻率對(duì)壓力的變化更為敏感，因此在低壓高精度的測(cè)量中，有著比較好的性能表現(xiàn)，相對(duì)價(jià)格也比較高。當(dāng)精度要求不是很高的情況下，擴(kuò)散硅和電容式可以兼顧精度和成本。例如電容式真空傳感器，利用被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)的變化，可以精確的測(cè)量低真空度。擴(kuò)散硅壓力傳感器的靈敏度相對(duì)較大，部分可以達(dá)到（1~2）mV/V/kPa，也可應(yīng)用于微壓下的表壓絕壓測(cè)量。

在低壓和中壓的測(cè)量應(yīng)用中，可選擇范圍較為廣泛，高精度可選諧振式，中等精度水平可以選用擴(kuò)散硅式，陶瓷電容電阻式，金屬應(yīng)變式等傳感器。擴(kuò)散硅式靈敏度高，體積小，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，相對(duì)成本略高；陶瓷式成本低，精度低，適合大批量低成本應(yīng)用，受限于材料的特性，靈敏度較低，不耐壓力瞬變和機(jī)械沖擊；金屬應(yīng)變式兼顧成本和精度，采用熱處理的彈性體，可以適應(yīng)不同的測(cè)量介質(zhì)要求，敏感元部分根據(jù)不同的工藝，有濺射薄膜，玻璃微熔，應(yīng)變片等，覆蓋低靈敏度到高靈敏度的范圍，受限于彈性體工藝限制，在低壓力下的測(cè)量時(shí)，精度較差，優(yōu)點(diǎn)是金屬的彈性體可以承受較大的沖擊。

中高壓的應(yīng)用中，擴(kuò)散硅和金屬應(yīng)變式各有著廣泛的應(yīng)用，陶瓷受限于材料的強(qiáng)度，高壓耐受強(qiáng)度較差。高壓應(yīng)用中，金屬應(yīng)變式有較大的優(yōu)勢(shì)，得益于金屬?gòu)椥泽w材料的強(qiáng)度，可以承受幾百兆帕的壓力，同時(shí)能夠應(yīng)對(duì)較大沖擊的應(yīng)用場(chǎng)景，例如在石油壓裂領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

壓力傳感器按照準(zhǔn)確度等級(jí)來看，覆蓋從高精度的0.01級(jí)到低精度的4.0級(jí)，通常諧振式壓力傳感器能覆蓋從低壓到高壓，0.01級(jí)到0.05級(jí)的測(cè)量要求，擴(kuò)散硅傳感器的精度等級(jí)范圍為0.02~0.5級(jí)，陶瓷類的傳感器等級(jí)為0.2~4.0級(jí)，金屬應(yīng)變式0.5~4.0級(jí)。

福祿克壓力校準(zhǔn)解決方案

針對(duì)各種不同量程和精度的壓力傳感器校準(zhǔn)，福祿克計(jì)量校準(zhǔn)部的壓力校準(zhǔn)產(chǎn)品，可以覆蓋從0.01級(jí)到4.0級(jí)的微壓到高壓的寬量程范圍壓力校準(zhǔn)。

根據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程要求，0.01級(jí)的壓力傳感器只能使用0.005級(jí)的活塞式壓力計(jì)來校準(zhǔn)，福祿克的PG7601, PG7202和PG7302系列活塞壓力計(jì)，覆蓋從7kPa~500MPa范圍內(nèi)的0.005級(jí)表壓絕壓壓力校準(zhǔn)。

對(duì)于微壓的0.02~0.5級(jí)壓力傳感器，7250LP系列微壓氣體壓力校準(zhǔn)器可以覆蓋0~25kPa微壓壓力范圍，最優(yōu)不確定度達(dá)到0.009%讀數(shù)，搭配負(fù)表壓模塊，可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓壓力校準(zhǔn)。

對(duì)于中壓到高壓范圍，6270A，8270A/8370A模塊化氣體壓力控制器可以覆蓋從低壓25kPa到高壓110MPa的氣體介質(zhì)壓力校準(zhǔn)，一年期不確定度達(dá)到0.01%讀數(shù)，單機(jī)可最多配備五個(gè)不同量程的校準(zhǔn)模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)量程段最優(yōu)不確定度，使用氣體作為校準(zhǔn)介質(zhì)，可以適用于對(duì)潔凈度要求較高的傳感器校準(zhǔn)應(yīng)用，例如半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用的壓力傳感器。

對(duì)于20MPa~200MPa的壓力傳感器，也可以采用PPCH高壓液體壓力校準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)1~200MPa的自動(dòng)壓力校準(zhǔn)，最優(yōu)不確定度達(dá)到0.013%讀數(shù)， 具備自動(dòng)量程功能，可實(shí)現(xiàn)最佳的傳感器校準(zhǔn)性能。

另外，對(duì)于一些需要低成本校準(zhǔn)的應(yīng)用，福祿克提供了低成本壓力控制器的2271A工業(yè)壓力校準(zhǔn)器（氣體）和E-DWT-H數(shù)字壓力校準(zhǔn)器（液體），可以適用于一些實(shí)驗(yàn)室等小規(guī)模校準(zhǔn)測(cè)試。FLUKE還提供整體解決方案，覆蓋從軟件到電測(cè)設(shè)備，管路連接，氣體和液體增壓系統(tǒng)等全系列校準(zhǔn)應(yīng)用。