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WIKA威卡智能數(shù)字壓力表結(jié)構(gòu)原理介紹
WIKA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
WIKA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傳感器輸出變化量與相應(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1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??煽亢驼鎸?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,。
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