《能源监测与评价》——能源监测技术（五）

(二)动态压力测量

1.压力传感器的类型

测量动态压力时通常是用各种压力传感器将被测压力信号转变成电信号来进行测量。压力传感器包括两部分：一部分是直接能感受到压力的敏感元件;另一部分是将感受到的压力信号转换为一定的物理量表示出来的元件或仪器。压力传感器一般有液柱式、机械式、电磁式、气动式、光学式等形式。利用压力传感器不仅可以测量流体的动态压力，也可测量稳态压力，甚至可以测量流体的速度。

传统的压力传感器是通过弹性元件的形变和位移随压力变化而改变的情况来间接测量压力。现代压力传感器是利用半导体材料的压阻效应和弹性来测量压力，具有体积小、质量轻、灵敏度高等特点。

实际应用中压力测量的范围极宽，从接近真空到几千个大气压，而每种压力传感器都只能在一定的压力范围内使用。压力传感器的种类与测压范围见表2-7。

压力传感器的主要参数和特性有：

(1)测量范围。在允许误差限度内被测量值的范围称为测量范围。

(2)上限值。测量范围的最高值称为测量范围的上限值。

(3)下限值。测量范围的最低值称为测量范围的下限值。

(4)量程。测量范围的上限值和下限值的代数差就是量程。

(5)准确度。被测量的测量结果与真值间的一致程度。

(6)重复性。在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性。

(7)蠕变。当被测量及其所有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。

(8)迟滞值。在规定的范围内，当被测量值增加或减少时，输出中出现的最大差值。

(9)激励。为使传感器正常工作而施加的外部能量，一般是电压或电流。

(10)零点漂移。零点漂移是指在规定的时间间隔及标准条件下，零点输出值的变化。由于周围温度变化引起的零点漂移称为热零点漂移。

(11)过载。通常是指能够加在压力传感器上不致引起性能永久性变化的被测量的最大值。

(12)稳定性。压力传感器在规定的条件下储存、试验或使用，经历规定的时间后，仍能保持原来特性参数的能力。

(13)可靠性。指压力传感器在规定的条件下和规定的时间内完成所需功能的能力。

2.电阻应变式压力传感器

应变式压力传感器的工作原理是利用电阻的应变效应，当被测的动态压力作用在弹性元件上时，使之产生变形，在其变形部位粘贴有电阻应变片，因此应变片也随之发生形变。于是其电阻值就会随着被测的动态压力而发生变化。由于应力和应变值存在如下的线性关系

因此根据应变片的电阻变化，便可得到弹性元件的应变值e，进而得到应力a，即被测的动

态压力。常用的电阻应变式压力传感器有金属电阻应变式压力传感器、薄膜电阻应变式压力传感器、半导体电阻应变式压力传感器。

金属电阻应变式压力传感器的应变片结构有丝式、箔式两类。丝式金属应变片结构如图2-19所示，它是由基体、应变丝或应变箔、保护层和引线等部分组成。常用于制作丝式金属应变片的材料有康铜、镍铬合金、铁镍铬合金及铂铱合金等，其电阻值一般为几十欧至几十千欧。

箔式金属应变片是用照相、光刻技术将金属箔腐蚀成丝栅制成。由于其散热条件好，能承载较大的工作电流，故灵敏度高，且耐蠕变和抗零点漂移，可做成任意形状，便于批量生产，成本低，因此性能优于丝式金属应变片。

薄膜电阻应变式压力传感器是由直接沉淀在需要测量表面的电阻薄膜组成，与贴于应变片上的金属导体或者半导体相比，要灵敏得多。薄膜电阻应变式压力传感器的主要制造工艺是成膜技术，不过现在成熟的溅射工艺和蒸发工艺已经很好地解决了这个问题。

半导体电阻应变式压力传感器也称为半导体压阻式压力传感器。它有两种类型：一类是将半导体应变计粘贴在弹性元件上制成的传感器，称为粘贴型压阻式传感器;另一类是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，使应变计与硅衬底形成同一整体的传感器，称为扩散型压阻式传感器。

粘贴型压阻式传感器由四只半导体应变片接成全桥形式，用黏合剂贴在弹性元件上构成，它的应变灵敏度系数此金属电阻应变式压力传感器高得多，一般为20～200，因此输出灵敏度一般为15～0mV/V，缺点是易发生零点漂移与蠕变，同时还存在半导体应变片和弹性元件热膨胀所带来的温度漂移等影响。

扩散型压阻式传感器大都采用单晶硅和半导体平面工艺制成。一般以N型硅为衬底，采用氧化、扩散等工艺将硼原子沿给定的晶向扩散到N型硅衬底材料中，形成P型扩散层。结果硼扩散区便形成应变电阻，并与衬底形成一个整体，当它受到压力作用时，应变电阻发生变化，从而使输出发生变化。

半导体电阻应变式压力传感器具有灵敏度高、精度高、体积小、质量轻、工作频率高、结构简单、工作可靠、寿命长等特点。

电阻应变式压力传感器的弹性元件可根据被测介质和测量范围的不同而采用不同形式，常见的有圆膜片、弹性梁、应变筒等，结构见图2-20，测量电路如图2-21所示。

在测量动态压力时，电阻应变片的电阻变化除了因为变形的原因外，还会受温度的影响。由于环境温度变化而带来的电阻应变片的测量误差，称为温度误差。引起温度误差的原因有：①金属或半导体的电阻会随温度变化;②电阻应变片的材料和弹性元件材料的热膨胀系数不一样，使电阻应变片产生附加变形，从而引起其电阻值变化。

电阻应变片的温度补偿方法有线路补偿法和应变片自补偿法。最常用的线路补偿法是电桥补偿法。其原理是：将两片参数相同的应变片，一片贴于测试件上，另一片贴在与测试件同材料的补偿件上，然后将两片应变片接人电桥相邻的两臂上，这样由于温度变化而引起的电阻变化就会互相抵消，电桥的输出将与温度无关而只取决于测试件的应变。

另一种方法是，不用补偿件，而是将测试应变片和补偿应变片贴于测试件的不同部位，当测试件变形时，测试片和补偿片的电阻将一增一减，这样既能起到温度补偿作用，又可使电桥输出电压增加一倍，提高输出的灵敏度(见图2-22)。

应变片自补偿法是用两种不同的材料组成应变丝(见图2-23)，当温度发生变化时，它们所产生的电阻变化相等，将它们接入电桥的相邻两臂，则电桥的输出就与温度无关。