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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(jí)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(jí) 也越來越好，并且在數(shù)字壓力表中添加電流電壓 測(cè)量信號(hào)，這樣對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(duì)只測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)穩(wěn)定，可以選擇準(zhǔn)確度等級(jí)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(chǎng)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(duì)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(dòng),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(duì)硅和鍺 的電阻率與應(yīng)力變化特性測(cè)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(cè)量的電信號(hào)， 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(cè)量，要將 其轉(zhuǎn)化為測(cè)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(duì)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(huì)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?jìng)鞲衅鬏敵鲎兓颗c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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)V要經(jīng)過放 大器（圖4)調(diào)整出便于測(cè)量和采集的電壓信號(hào),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(hào)源轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)源,再輸入到單片機(jī) 內(nèi)（圖5)處理。溫度測(cè)量端是在數(shù)字溫度表內(nèi)部加入溫度傳感器，傳感器對(duì)于環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量， 測(cè)得的溫度信號(hào)變?yōu)轭l率信號(hào)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(cè)量端的 加入之后，在使用數(shù)字壓力表和對(duì)于數(shù)字壓力表 進(jìn)行計(jì)量測(cè)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(duì)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(hào)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(hào)的精密測(cè)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(duì)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(dòng)關(guān)機(jī)，保證數(shù)字壓力表表的數(shù)據(jù)的正?？煽亢?/span> 真實(shí)，當(dāng)交流適配器給電池充電時(shí)，充滿時(shí)間后 自動(dòng)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(duì)于壓力傳感器的選擇和壓力信號(hào)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。