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最為廣泛應(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最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，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

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,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，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一步。

2.2信號處理

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,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源轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號源,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，測得的溫度信號變?yōu)轭l率信號通過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)主要的作用除了最基本的對于單片機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的接收，壓力數(shù)值的精準(zhǔn)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。