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應變式壓力變送器測壓原理是什么?

發布時間:2025-10-11
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文章來源:http://www.lygdysw.com

在工業生產、汽車電子、醫療設備等領域,應變式壓力變送器憑借高精度、高穩定性的優勢,成為測量氣體、液體壓力的核心設備。其測壓原理并非直接 “讀取” 壓力數值,而是通過一套精密的 “機械 - 電學轉化系統”,將無形的壓力信號轉化為可計量、可傳輸的電信號。本文將從核心技術原理、關鍵部件作用、信號轉化流程三個維度,拆解應變式壓力變送器的測壓邏輯。


一、核心技術支撐:應變效應與惠斯通電橋1758617925443136.
應變式壓力變送器的測壓能力,本質依賴兩大基礎技術 ——金屬應變效應(實現 “壓力→電阻變化”)和惠斯通電橋(實現 “電阻變化→電壓信號”),二者共同構成了測壓的 “技術基石”。
1. 金屬應變效應:壓力形變的 “感知密碼”
所謂 “金屬應變效應”,是指金屬導體的電阻值會隨其幾何形狀(長度、截面積)的變化而發生規律性改變的物理現象。具體來說:
  • 當金屬導體被拉伸時:長度變長、截面積變小,電阻值隨之增大;

  • 當金屬導體被壓縮時:長度變短、截面積變大,電阻值隨之減小;

  • 關鍵規律:在彈性形變范圍內,金屬電阻的變化量(ΔR/R)與導體的形變量(應變 ε,即形變程度與原長度的比值)成線性正比關系,公式可表示為:ΔR/R = K×ε(K 為應變靈敏系數,由金屬材質決定,常見合金的 K 值約為 2~4)。

這一效應讓 “無形的壓力” 有了被感知的可能 —— 只要能將壓力轉化為金屬的形變,就能通過電阻變化間接測量壓力。
2. 惠斯通電橋:微小電阻變化的 “放大器”
應變片的電阻變化通常非常微?。▋H零點幾到幾歐姆),直接測量難度大。而惠斯通電橋電路的核心作用,就是將這種微小的電阻變化轉化為易于測量的電壓信號,同時具備抑制干擾、提高精度的功能。
典型的惠斯通電橋由 4 個電阻臂(R1、R2、R3、R4)組成,其中 2~4 個電阻臂會接入應變片(稱為 “工作應變片”),剩余電阻臂為固定電阻(稱為 “補償應變片”,用于抵消溫度、振動等干擾)。電路接入穩定的直流電源(如 5V、10V)后:
  • 無壓力時:電橋平衡,4 個電阻臂的電阻值滿足 R1/R2 = R3/R4,輸出端電壓為 0;

  • 有壓力時:工作應變片電阻變化,電橋平衡被打破,輸出端會產生與電阻變化量(即壓力)成正比的電壓信號(通常為毫伏級,如幾十到幾百毫伏)。

通過這一轉化,原本難以捕捉的電阻變化,變成了可直接采集的電壓信號,為后續的信號處理奠定基礎。
二、關鍵部件:測壓系統的 “硬件核心”
應變式壓力變送器的測壓過程,需要多個部件協同工作,每個部件都承擔著特定的功能,共同構成完整的 “壓力→電信號” 轉化鏈路。
1. 彈性元件:壓力的 “接收與傳導者”
彈性元件是變送器直接與被測介質接觸的部件,相當于壓力的 “第一接收器”,其作用是將壓力轉化為可控的機械形變。常見的彈性元件有三種:
  • 金屬膜片:薄圓形金屬片(材質多為不銹鋼、哈氏合金),壓力作用時會向低壓側彎曲,形變程度與壓力成正比,適用于中低壓測量(0~10MPa);

  • 彈性筒:中空的金屬筒(如彈簧管、波紋管),壓力作用時會發生軸向或徑向形變,強度更高,適用于高壓測量(10~100MPa);

  • 彈性梁:條形金屬梁,壓力通過傳壓桿傳遞到梁上,使梁發生彎曲形變,適用于微壓測量(0~1kPa)。

彈性元件的關鍵要求是 “彈性恢復性”—— 壓力消失后能完全恢復原狀,避免永久形變導致測量誤差。
2. 應變片:形變的 “電阻轉化器”
應變片是貼附在彈性元件形變區域的核心部件,通常由 “基底 + 敏感柵 + 引線” 三部分組成:
  • 基底:絕緣材料(如聚酰亞胺薄膜),作用是固定敏感柵,同時隔離彈性元件與敏感柵,避免短路;

  • 敏感柵:金屬箔或金屬絲(如銅鎳合金、鎳鉻合金),按特定形狀(如柵格狀)刻制,是產生電阻變化的核心;

  • 引線:銅線,用于將敏感柵接入惠斯通電橋電路。

實際應用中,應變片會按 “對稱原則” 粘貼 —— 例如在彈性膜片的正面貼 2 個 “受拉應變片”,背面貼 2 個 “受壓應變片”,這樣既能提高測量靈敏度,又能抵消溫度變化對電阻的影響(溫度變化會導致所有應變片電阻同步變化,電橋可自動抵消)。
3. 信號調理電路:電壓信號的 “優化者”
惠斯通電橋輸出的毫伏級電壓信號還需經過信號調理電路處理,才能轉化為工業標準信號(如 4~20mA 電流信號、0~5V 電壓信號),方便后續設備(如 PLC、顯示屏)接收和使用。信號調理電路的核心功能包括:
  • 放大:將毫伏級信號放大到伏級,提高抗干擾能力;

  • 濾波:過濾電路中的電磁干擾(如工業現場的變頻器干擾),確保信號穩定;

  • 溫度補償:通過熱敏電阻等元件,抵消溫度變化對彈性元件、應變片的影響,避免零點漂移;

  • 線性化修正:由于彈性元件的形變可能存在微小非線性,電路會通過軟件或硬件修正,確保輸出信號與壓力完全線性對應。

三、完整測壓流程:從壓力輸入到信號輸出的 5 步轉化
結合上述技術原理和關鍵部件,應變式壓力變送器的測壓過程可拆解為 5 個清晰的步驟,形成完整的 “壓力→電信號” 閉環:
步驟 1:壓力接入 —— 被測介質傳遞壓力
被測介質(氣體、液體)通過變送器的壓力接口進入測量腔,直接作用在彈性元件(如金屬膜片)上。此時,彈性元件會受到與介質壓力成正比的作用力。
步驟 2:形變產生 —— 彈性元件轉化壓力為形變
在壓力作用下,彈性元件發生彈性形變:若介質壓力高于大氣壓(表壓測量),膜片會向腔外彎曲;若測量絕對壓力(以真空為基準),膜片則會向真空側彎曲。形變的程度嚴格遵循 “壓力越大,形變越大” 的線性關系。
步驟 3:電阻變化 —— 應變片感知形變
貼附在彈性元件上的應變片隨彈性元件一起形變:受拉區域的應變片電阻增大,受壓區域的應變片電阻減小。電阻變化量與彈性元件的形變量(即壓力)成正比,完成 “壓力→電阻變化” 的轉化。
步驟 4:電壓輸出 —— 惠斯通電橋轉化電阻變化
應變片接入的惠斯通電橋電路,因電阻變化打破平衡,輸出與電阻變化量成正比的毫伏級電壓信號。例如,當壓力為滿量程時,輸出電壓可能達到 200mV(具體值由電源電壓和應變片靈敏度決定)。
步驟 5:信號優化 —— 調理電路輸出標準信號
毫伏級電壓信號進入信號調理電路,經過放大、濾波、溫度補償和線性化修正后,轉化為工業標準信號(如 4~20mA 電流信號:壓力為 0 時輸出 4mA,滿量程時輸出 20mA)。最終,標準信號通過電纜傳輸到 PLC、顯示屏等設備,實現壓力的實時監測與控制。
四、應用場景背后的原理適配
應變式壓力變送器的測壓原理,決定了其在不同場景中的適配性:
  • 工業管道壓力監測:彈性元件采用耐腐蝕的哈氏合金膜片,應對化工介質的腐蝕;信號調理電路具備抗電磁干擾設計,適應工業現場的復雜環境;

  • 汽車發動機油壓測量:采用小型化彈性筒,耐受發動機艙的高溫(-40~125℃);通過溫度補償電路,避免油溫變化導致的誤差;

  • 醫療設備血壓監測:使用超薄金屬膜片,實現微壓(0~300mmHg)的高精度測量;信號調理電路采用低功耗設計,適配便攜式醫療設備。

正是基于 “應變效應 + 惠斯通電橋” 的核心原理,以及各部件的精準協同,應變式壓力變送器才能在眾多場景中實現 “高精度、高穩定、高可靠” 的壓力測量,成為工業自動化與智能設備的關鍵感知部件。
![應變式壓力變送器測壓原理示意圖]

(建議配圖:包含 “彈性元件 - 應變片 - 惠斯通電橋 - 信號調理電路” 的完整結構示意圖,標注各步驟的壓力、形變、電阻變化、電壓信號流向)


1758617925443136.

    • 高精度與高靈敏度應變式壓力傳感器典型精度可達 0.05-0.1% FS,優于陶瓷壓阻式的 0.2% FS,靈敏度達 2mV/V,比擴散硅高 50%,還具有 1με 的微應變檢測能力。例如隆旅 PTL402 壓力變送器,測量精度可達 ±0.5% FS。



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