(二)動態(tài)壓力測量

1.壓力傳感器的類型

測量動態(tài)壓力時(shí)通常是用各種壓力傳感器將被測壓力信號轉(zhuǎn)變成電信號來進(jìn)行測量。壓力傳感器包括兩部分：一部分是直接能感受到壓力的敏感元件;另一部分是將感受到的壓力信號轉(zhuǎn)換為一定的物理量表示出來的元件或儀器。壓力傳感器一般有液柱式、機(jī)械式、電磁式、氣動式、光學(xué)式等形式。利用壓力傳感器不僅可以測量流體的動態(tài)壓力，也可測量穩(wěn)態(tài)壓力，甚至可以測量流體的速度。

傳統(tǒng)的壓力傳感器是通過彈性元件的形變和位移隨壓力變化而改變的情況來間接測量壓力。現(xiàn)代壓力傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和彈性來測量壓力，具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高等特點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用中壓力測量的范圍極寬，從接近真空到幾千個(gè)大氣壓，而每種壓力傳感器都只能在一定的壓力范圍內(nèi)使用。壓力傳感器的種類與測壓范圍見表2-7。

壓力傳感器的主要參數(shù)和特性有：

(1)測量范圍。在允許誤差限度內(nèi)被測量值的范圍稱為測量范圍。

(2)上限值。測量范圍的最高值稱為測量范圍的上限值。

(3)下限值。測量范圍的最低值稱為測量范圍的下限值。

(4)量程。測量范圍的上限值和下限值的代數(shù)差就是量程。

(5)準(zhǔn)確度。被測量的測量結(jié)果與真值間的一致程度。

(6)重復(fù)性。在相同測量條件下，對同一被測量進(jìn)行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性。

(7)蠕變。當(dāng)被測量及其所有環(huán)境條件保持恒定時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的變化。

(8)遲滯值。在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測量值增加或減少時(shí)，輸出中出現(xiàn)的最大差值。

(9)激勵(lì)。為使傳感器正常工作而施加的外部能量，一般是電壓或電流。

(10)零點(diǎn)漂移。零點(diǎn)漂移是指在規(guī)定的時(shí)間間隔及標(biāo)準(zhǔn)條件下，零點(diǎn)輸出值的變化。由于周圍溫度變化引起的零點(diǎn)漂移稱為熱零點(diǎn)漂移。

(11)過載。通常是指能夠加在壓力傳感器上不致引起性能永久性變化的被測量的最大值。

(12)穩(wěn)定性。壓力傳感器在規(guī)定的條件下儲存、試驗(yàn)或使用，經(jīng)歷規(guī)定的時(shí)間后，仍能保持原來特性參數(shù)的能力。

(13)可靠性。指壓力傳感器在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所需功能的能力。

2.電阻應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器的工作原理是利用電阻的應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)被測的動態(tài)壓力作用在彈性元件上時(shí)，使之產(chǎn)生變形，在其變形部位粘貼有電阻應(yīng)變片，因此應(yīng)變片也隨之發(fā)生形變。于是其電阻值就會隨著被測的動態(tài)壓力而發(fā)生變化。由于應(yīng)力和應(yīng)變值存在如下的線性關(guān)系

因此根據(jù)應(yīng)變片的電阻變化，便可得到彈性元件的應(yīng)變值e，進(jìn)而得到應(yīng)力a，即被測的動

態(tài)壓力。常用的電阻應(yīng)變式壓力傳感器有金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器、薄膜電阻應(yīng)變式壓力傳感器、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變式壓力傳感器。

金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器的應(yīng)變片結(jié)構(gòu)有絲式、箔式兩類。絲式金屬應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖2-19所示，它是由基體、應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、保護(hù)層和引線等部分組成。常用于制作絲式金屬應(yīng)變片的材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鎳鉻合金及鉑銥合金等，其電阻值一般為幾十歐至幾十千歐。

箔式金屬應(yīng)變片是用照相、光刻技術(shù)將金屬箔腐蝕成絲柵制成。由于其散熱條件好，能承載較大的工作電流，故靈敏度高，且耐蠕變和抗零點(diǎn)漂移，可做成任意形狀，便于批量生產(chǎn)，成本低，因此性能優(yōu)于絲式金屬應(yīng)變片。

薄膜電阻應(yīng)變式壓力傳感器是由直接沉淀在需要測量表面的電阻薄膜組成，與貼于應(yīng)變片上的金屬導(dǎo)體或者半導(dǎo)體相比，要靈敏得多。薄膜電阻應(yīng)變式壓力傳感器的主要制造工藝是成膜技術(shù)，不過現(xiàn)在成熟的濺射工藝和蒸發(fā)工藝已經(jīng)很好地解決了這個(gè)問題。

半導(dǎo)體電阻應(yīng)變式壓力傳感器也稱為半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器。它有兩種類型：一類是將半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)粘貼在彈性元件上制成的傳感器，稱為粘貼型壓阻式傳感器;另一類是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，使應(yīng)變計(jì)與硅襯底形成同一整體的傳感器，稱為擴(kuò)散型壓阻式傳感器。

粘貼型壓阻式傳感器由四只半導(dǎo)體應(yīng)變片接成全橋形式，用黏合劑貼在彈性元件上構(gòu)成，它的應(yīng)變靈敏度系數(shù)此金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器高得多，一般為20～200，因此輸出靈敏度一般為15～0mV/V，缺點(diǎn)是易發(fā)生零點(diǎn)漂移與蠕變，同時(shí)還存在半導(dǎo)體應(yīng)變片和彈性元件熱膨脹所帶來的溫度漂移等影響。

擴(kuò)散型壓阻式傳感器大都采用單晶硅和半導(dǎo)體平面工藝制成。一般以N型硅為襯底，采用氧化、擴(kuò)散等工藝將硼原子沿給定的晶向擴(kuò)散到N型硅襯底材料中，形成P型擴(kuò)散層。結(jié)果硼擴(kuò)散區(qū)便形成應(yīng)變電阻，并與襯底形成一個(gè)整體，當(dāng)它受到壓力作用時(shí)，應(yīng)變電阻發(fā)生變化，從而使輸出發(fā)生變化。

半導(dǎo)體電阻應(yīng)變式壓力傳感器具有靈敏度高、精度高、體積小、質(zhì)量輕、工作頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、壽命長等特點(diǎn)。

電阻應(yīng)變式壓力傳感器的彈性元件可根據(jù)被測介質(zhì)和測量范圍的不同而采用不同形式，常見的有圓膜片、彈性梁、應(yīng)變筒等，結(jié)構(gòu)見圖2-20，測量電路如圖2-21所示。

在測量動態(tài)壓力時(shí)，電阻應(yīng)變片的電阻變化除了因?yàn)樽冃蔚脑蛲猓€會受溫度的影響。由于環(huán)境溫度變化而帶來的電阻應(yīng)變片的測量誤差，稱為溫度誤差。引起溫度誤差的原因有：①金屬或半導(dǎo)體的電阻會隨溫度變化;②電阻應(yīng)變片的材料和彈性元件材料的熱膨脹系數(shù)不一樣，使電阻應(yīng)變片產(chǎn)生附加變形，從而引起其電阻值變化。

電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償法。最常用的線路補(bǔ)償法是電橋補(bǔ)償法。其原理是：將兩片參數(shù)相同的應(yīng)變片，一片貼于測試件上，另一片貼在與測試件同材料的補(bǔ)償件上，然后將兩片應(yīng)變片接人電橋相鄰的兩臂上，這樣由于溫度變化而引起的電阻變化就會互相抵消，電橋的輸出將與溫度無關(guān)而只取決于測試件的應(yīng)變。

另一種方法是，不用補(bǔ)償件，而是將測試應(yīng)變片和補(bǔ)償應(yīng)變片貼于測試件的不同部位，當(dāng)測試件變形時(shí)，測試片和補(bǔ)償片的電阻將一增一減，這樣既能起到溫度補(bǔ)償作用，又可使電橋輸出電壓增加一倍，提高輸出的靈敏度(見圖2-22)。

應(yīng)變片自補(bǔ)償法是用兩種不同的材料組成應(yīng)變絲(見圖2-23)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，它們所產(chǎn)生的電阻變化相等，將它們接入電橋的相鄰兩臂，則電橋的輸出就與溫度無關(guān)。