WIKA威卡智能数字压力表结构原理介绍

WIKA智能数字压力表由于显示直观、没有视觉误差和人员误差,使用携带方便，量程覆盖广,灵敏度高等优点被广泛应用。文章主要介绍了传感器广泛应用的压阻式压力传感器作为核心部件的智能数字压力表结构组成。

0.引言

压力虽然并不是七个计量基本单位，但是在工业使用中却被应用。直观显示压力的仪表基本的有指针式压力表、数字压力表、压力变送器及各种压力传感器，其中数字压力表的显示直观、没有视觉误差和人员误差，近几年因其智能数字压力表的传感器准确度等级的不断提升，无论从稳定性还是灵敏度高都有很大提高，准确度等级也越来越好，并且在数字压力表中添加电流电压测量信号，这样对于现场应用越来越方便，并且衍生出的压力控制器已经被广泛应用与各大计量单位作为标准器使用。这里主要是针对只测量压力值的数字压力表的结构和原理进行介绍和分析。

1.结构组成

数字压力表大体结构主要由以下部分组成，如图1所示。

2.压力模块部分

2.1压力传感器

2.1.1压力传感器的测压原理

WIKA压力传感器作为数字压力表的核心部件，于选择压力传感器的种类也非常重要，对于不同的工作环境选择不同材质的传感器。工作环境相对稳定，可以选择准确度等级高的蓝宝石压力传感器、陶瓷压力传感器；用于工业现场应用可以选择电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器。针对工作原理的不同还有压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。压阻式压力传感器因为其较强的线性稳定性被广泛应用，工作原理是单晶硅或多晶硅的压阻效应。当半导体受到应力作用时，由于应力引起能带的变化，能量谷的能量移动,使其电阻率发生了变化的现象被称之为压阻效应。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。

压阻效应这个原理被用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器，其中压力传感器就是把压力学量转换为可以进行测量的电信号，压阻式压力传感器的内部结构如图2所示。

压阻式压力传感器的物理原理主要来自于惠斯顿电桥原理。因为传感器受到外界的应变力之后发生变化，这个变化量不便于直接测量，要将其转化为测量起来更方便的电流或电压的变化,故用到了由四个电阻构成的惠斯顿电桥。其中电桥平衡时，电桥相对臂电阻的乘积相等。这也是电桥的平衡条件。如上图四个精密电阻及11、Rl2、21和RP组成电桥，根据原理R11=R12=R21=RP，输出电压为零，此时电桥是平衡的。当外界压力作用于电阻时，首先Re阻值增大，之后便会引起一连串的变化。

2.1.2压力传感器的灵敏度

压力传感器灵敏度是指传感器输出变化量与相应的输入变化量之比。压力传感器受到外力影响,膜片产生弹性形变,输出的灵敏度受到弹性膜片的平面尺寸、薄厚程度、形变的强烈程度的直接影响,这些影响主要是对于压力传感器的制作工艺的要求，当然灵敏度也受到外界温度、受力介质、受力面是否均匀等等外界的影响,这些外界的影响在调整好工作环境之后都可以消除,并且在数据处理后期可以将外界的温度影响进行计算补偿和修正。灵敏度是衡量传感器的重要指标之也是参与周期稳定性计算的重要参数,对于数字压力表的结构组成来说,选择压力传感器是非常重要的第1步。

2.2信号处理

压力模块部分除了重要的压力传感器之外还包括A/D转换,单片机,电源管理电路,恒流源,温度补偿电路几个电信号处理部分,原理结构如图3所示。

如图所示，压力传感器输出信号V要经过放大器（图4)调整出便于测量和采集的电压信号,输入到A/D转换单元,A/D转换单元的作用是将模拟信号源转化成数字信号源,再输入到单片机内（图5)处理。温度测量端是在数字温度表内部加入温度传感器，传感器对于环境进行实时测量，测得的温度信号变为频率信号通过T端传入到单片机中，进行温度补偿计算。因为温度测量端的加入之后，在使用数字压力表和对于数字压力表进行计量测量时要保证在当前环境下待机预热半小时以上开始工作，保证数字压力表的数字真实有效。

3.智能主机

主机采用微机控制器，主要是为了解决微机、主机和压力模块三方通信协调时，主机将数据分时发送给微机和压力模块。

智能主机主要的作用除了基本的对于单片机发来的数据进行准确无误的接收，压力数值的显示和校准压力模块部分的程序意外，还要负责交直流供电电源的管理，防止出现电池的过放和过充的处理程序。如果带有电压电流信号的智能数字压力表还应该需要具备直流电压、电流信号的精密测量；显示控制（图6)和键盘控制(图7)进行和微机的通信等。独供电时，压力表能够正常工作，电池和交流配电器同时供电时，优先选择交流供电器为压力表进行供电；对于电池的充放电进行管理，当电池即将用完无法正常工作时，进行报警提示或者自动关机，保证数字压力表表的数据的正常可靠和真实，当交流适配器给电池充电时，充满时间后自动终止充电（图8)。

4.结束语

本文主要介绍了智能数字压力表的设计，总体上分为压力模块和智能主机两部分。前半部分主要是对于压力传感器的选择和压力信号放大和以及压力数据补偿的处理，后半部分主要解决电源管理电路和微机、主机和压力模块三方通信协调的问题。

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