系統(tǒng)制造商正在提供有史以來最優(yōu)質(zhì)、最可靠和最節(jié)能的汽車、飛機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以及相關(guān)部件。這在很大程度上是因?yàn)橹圃焐虒?duì)這些產(chǎn)品日益增長的嚴(yán)格測試和測量要求。差壓傳感器是要求高可靠性、可重復(fù)性和高精度的應(yīng)用工藝中不可或缺的一部分。

差壓傳感器通常被用于試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞、泄漏檢測系統(tǒng)和其他應(yīng)用中。每種應(yīng)用的工程師都在尋求對(duì)他們所在行業(yè)十分重要的傳感器改進(jìn)。

當(dāng)今差壓傳感器的性能已經(jīng)提高到可為嚴(yán)苛應(yīng)用提供解決方案。本文說明了如何在關(guān)鍵壓力應(yīng)用中使用差壓傳感器，差壓傳感器的兩個(gè)性能特性，以及這兩個(gè)參數(shù)的重要意義。

圖1：不同的壓力測量類型

差壓（DP）傳感器測量兩點(diǎn)間的壓力差，通常使用參考?jí)毫Γɑ鶞?zhǔn)壓力），而不是大氣壓力（見圖1）。為此，傳感器有兩個(gè)端口，使得壓力可以施加在感測元件的兩側(cè)。其中，一個(gè)端口用于試樣（過程端口），另一個(gè)則用于參考（參考端口）。DP傳感器檢測到的壓力差異會(huì)生成一個(gè)高精度讀數(shù)，該讀數(shù)與測量的壓差成正比。

1.微壓差傳感器應(yīng)用

差壓傳感器通常被用于試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞、泄漏檢測系統(tǒng)和其他應(yīng)用中。每種應(yīng)用的工程師都在尋求對(duì)他們所在行業(yè)十分重要的傳感器改進(jìn)。例如，設(shè)計(jì)和使用試驗(yàn)臺(tái)的工程師希望測量儀器具有非常高的精度，因?yàn)橛?jì)算系統(tǒng)性能需要精確的空氣流量測量。試驗(yàn)臺(tái)可能會(huì)使用微壓傳感器來測量進(jìn)入柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)饬髁?，從而確定性能，或者測量非公路車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。

另一方面，風(fēng)洞工程師對(duì)具有高精度和快速響應(yīng)時(shí)間的傳感器非常感興趣。低速風(fēng)洞應(yīng)用需要測量不斷變化的氣流速度。因此，傳感器可能會(huì)用于計(jì)算飛機(jī)的風(fēng)速、測量空氣如何流過汽車，或者幫助確定風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的最佳曲率和間距。這些應(yīng)用依靠差壓傳感器與皮托管共同使用，來進(jìn)行精確可靠的局部氣流速度測量。

相反，基于差壓降低測量的泄漏檢測系統(tǒng)的工程師更重視過壓保護(hù)，因?yàn)槭┘痈邏簳r(shí)很容易發(fā)生意外過載。這些泄漏檢測系統(tǒng)使用差壓傳感器來計(jì)算泄漏速率（基于壓力降低），從而確定小容積部件的密封完整性。

例如，可以對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測試來確定其密封件是否氣密、監(jiān)測正在使用的高壓過程管道來檢測泄漏，或者單獨(dú)密封機(jī)加工鑄件的各個(gè)通道，并按照90 PSIG下3 sec/m的測試規(guī)范進(jìn)行檢查。施加的靜態(tài)管路壓力越高，可分辨的壓差越小，則可檢測的泄漏速率就越低。（見圖3）

圖3：使用差壓傳感器進(jìn)行泄漏檢測

2.精度

輸出讀數(shù)極其精確，小于等于+0.07% FS RSS（滿量程，方和根法），因?yàn)殡娙輦鞲衅鹘档土嗽肼曈绊懖⑶沂褂昧藬?shù)字線性化處理。這些傳感器使用頻率信號(hào)輸出替代了模擬信號(hào)，20-40 MHz的頻率范圍可減少進(jìn)入電路的傳導(dǎo)噪聲。這些高頻信號(hào)易于被精確測量，并且已經(jīng)為通過數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行調(diào)節(jié)做好“數(shù)字化準(zhǔn)備”。

壓力傳感器的精度一般通過方和根（RSS）法量化：

當(dāng)這三個(gè)誤差值盡可能小時(shí)，可以獲得更高的精度（更低的% FS）。精度計(jì)算的三個(gè)特性如圖4-6所示。非重復(fù)性和滯后是感測元件設(shè)計(jì)的固有特性，在制造過程中難以補(bǔ)償。

通常這些值是傳感器質(zhì)量和穩(wěn)定性的基本指標(biāo)。在校準(zhǔn)過程中可以補(bǔ)償?shù)奶匦允欠蔷€性。計(jì)算非線性的最佳擬合直線（BFSL或BSL）方法通過實(shí)際曲線擬合一條直線，以便最大限度降低實(shí)際曲線與直線之間的相對(duì)誤差。這種情況下，曲線的終點(diǎn)與最佳擬合直線間沒有關(guān)聯(lián)。

圖4：非重復(fù)性和滯后對(duì)壓力傳感器輸出的影響

計(jì)算非線性的最佳擬合直線（BFSL或BSL）方法通過實(shí)際曲線擬合一條直線，以便最大限度降低實(shí)際曲線與直線之間的相對(duì)誤差。這種情況下，曲線的終點(diǎn)與最佳擬合直線沒有關(guān)聯(lián)。

圖5：如何使用最佳擬合直線法測量非線性

計(jì)算非線性的更精確和更嚴(yán)格的方法是終點(diǎn)法（圖6），該方法測量在繪制連接終點(diǎn)P0（零差壓）到PFS（滿量程）的直線時(shí)的非線性。這種情況下，對(duì)零點(diǎn)偏移或者量程進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)整后，可以保持終點(diǎn)精度。

測量非線性的不同方法會(huì)影響RSS傳感器精度的報(bào)告方式。例如，采用終點(diǎn)法具有±0.03%非線性的傳感器，使用最佳擬合直線法時(shí)非線性可能為±0.015%。BSFL方法的非線性數(shù)值更低，但是這并不會(huì)提高精度。

圖6：如何使用更嚴(yán)格的終點(diǎn)法測量非線性

在制造過程中，傳感器會(huì)進(jìn)行全數(shù)字化處理來線性化輸出信號(hào)。數(shù)字信號(hào)線性化相比模擬信號(hào)線性化更加精確，因而可實(shí)現(xiàn)監(jiān)控過程狀態(tài)的實(shí)時(shí)、精確、可靠的數(shù)據(jù)。此外，數(shù)字化處理可提供比模擬處理更高的抗電子噪聲干擾性。

另一個(gè)顯著的傳感器改進(jìn)是總誤差。由于較新的傳感器都經(jīng)過熱特性測量，它們被更好地?zé)嵫a(bǔ)償，這可提高總誤差帶。總誤差帶通常包括零點(diǎn)和量程偏移的最大不確定性誤差、零點(diǎn)和量程漂移、滯后、非線性和非重復(fù)性(見圖8)。

總誤差是真值最大正偏差與最大負(fù)偏差之間的差值。它通過檢查傳感器在壓力測量限值和工作溫度范圍內(nèi)的所有可能誤差來確定?？傉`差值被用于確定傳感器在其補(bǔ)償溫度范圍內(nèi)的最差性能。

圖7：總誤差（TEB）

傳感器在其校準(zhǔn)溫度范圍（如-20到+60℃）內(nèi)被特性化。在該過程中，通過記錄在自動(dòng)制造過程中不同溫度時(shí)的零點(diǎn)偏移和量程，收集制造過程的數(shù)據(jù)。采用非線性曲線擬合算法來特性化傳感器的表現(xiàn)。通過該過程，補(bǔ)償數(shù)據(jù)被永久性加載到各個(gè)傳感器中，以便有效地補(bǔ)償熱環(huán)境影響。獲得在寬溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)小于+0.5%滿量程的總誤差結(jié)果。

圖8：溫度對(duì)零點(diǎn)的影響示例

在所有環(huán)境影響因素種，溫度對(duì)信號(hào)輸出的影響最大。因此，不要忽視選擇具有低熱誤差的壓力傳感器的重要性，這樣可以實(shí)現(xiàn)工作溫度范圍內(nèi)的最佳性能。

圖9：溫度對(duì)量程的影響示例

系統(tǒng)制造商正在提供有史以來最優(yōu)質(zhì)、最可靠和最節(jié)能的汽車、飛機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)、以及相關(guān)部件。這在很大程度是因?yàn)橹圃焐虒?duì)這些產(chǎn)品日益增長的嚴(yán)格測試和測量要求。差壓傳感器是要求高可靠性、可重復(fù)性和高精度的應(yīng)用工藝中不可或缺的一部分。

差壓傳感器通常被用于試驗(yàn)臺(tái)、風(fēng)洞、泄漏檢測系統(tǒng)和其他應(yīng)用中。每種應(yīng)用的工程師都在尋求對(duì)他們所在行業(yè)十分重要的傳感器改進(jìn)。

當(dāng)今差壓傳感器的性能已經(jīng)提高到可為嚴(yán)苛應(yīng)用提供解決方案。下文說明了在選擇用于微壓差、關(guān)鍵壓力應(yīng)用的傳感器時(shí)，需要注意的6個(gè)特性和考慮事項(xiàng)。

1.方向效應(yīng)

不正確的安裝、振動(dòng)、甚至系統(tǒng)維護(hù)都會(huì)導(dǎo)致傳感器的方位變化，這被稱為方向效應(yīng)。一直以來，方向效應(yīng)對(duì)于其他類型的傳感技術(shù)都是個(gè)問題。即使是正確安裝的傳感器也會(huì)有邊緣重力效應(yīng)，因?yàn)閭鞲衅餍D(zhuǎn)180度會(huì)從正重力變?yōu)樨?fù)重力，從而造成2G的受力變化。這種情況下，傳感器無法將重力對(duì)其施加的力與通過壓力端口施加的力區(qū)分開來。因此，傳感器會(huì)將重力加權(quán)影響與端口壓力相結(jié)合，并發(fā)送錯(cuò)誤的信號(hào)。

對(duì)于填充了硅油或者其他隔離介質(zhì)的傳感器，傳感器旋轉(zhuǎn)時(shí)的方向效應(yīng)會(huì)更加明顯。這些傳感器的隔膜重量及填充液體的重量都會(huì)對(duì)傳感器造成影響。同樣，傳感器無法測量到真正的壓力，會(huì)發(fā)送帶方位變化影響的錯(cuò)誤值。

幸運(yùn)的是，一些傳感器采用十分輕薄的電容隔膜并且沒有填充液體，這使得重力對(duì)它們的影響被降到最低。因此，這些傳感器可以安裝在任意方向上，并確信它們會(huì)提供高度可靠的測量值。這對(duì)于空間十分珍貴的安裝尤其有用。為實(shí)現(xiàn)最佳安裝，傳感器的安裝方向應(yīng)當(dāng)與它校準(zhǔn)時(shí)的方向相同。例如，如果工廠校準(zhǔn)時(shí)為壓力端口向下的垂直位置，則建議在現(xiàn)場安裝時(shí)采用同樣的方式，以最大限度降低方向效應(yīng)。當(dāng)無法這樣做時(shí)，可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器的零點(diǎn)偏移或者通過安全校準(zhǔn)鍵來補(bǔ)償最小零點(diǎn)偏移的漂移。

2.振動(dòng)

類似的，來自附近電機(jī)或者風(fēng)扇的低頻振動(dòng)也會(huì)對(duì)正確定位的傳感器造成影響。例如，充油傳感器中的液體可能會(huì)拾取低頻振動(dòng)，并向隔膜施加一個(gè)慣性負(fù)載，這會(huì)被誤認(rèn)為是過程壓力變化。

為了避免這種振動(dòng)效應(yīng)，最終用戶需要將傳感器安裝在遠(yuǎn)端的安靜區(qū)域。同樣的，如果參考端口與大氣連通，則它需要連接到一個(gè)沒有振動(dòng)噪聲和風(fēng)的區(qū)域。對(duì)于風(fēng)洞，由于安裝了一個(gè)皮托管，因此兩個(gè)壓力端口都可通過軟管或者半軟管連接到遠(yuǎn)程安裝的傳感器，從而防止空氣擾動(dòng)噪聲或者機(jī)械振動(dòng)被傳導(dǎo)給傳感器。

工程師可以考慮使用專為最大限度減小方向和振動(dòng)問題而設(shè)計(jì)的電容傳感器，這種傳感器使用拉伸不銹鋼隔膜并且沒有填充液體。唯一的重力影響是隔膜的重量，這雖然不可忽視，但是影響非常小并且可以方便地在現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)償。

3.過壓保護(hù)

過壓保護(hù)和反向壓力保護(hù)一直是泄漏檢測系統(tǒng)制造商最重視的問題。這些系統(tǒng)尋求在微壓差和高靜態(tài)壓力應(yīng)用中的小泄漏速率。泄漏檢測制造商始終希望測量越來越低的泄漏速率。由于泄漏速率與壓差直接成正比，這些制造商希望能夠測量越來越小的壓差。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需要將靜態(tài)測試壓力增加到更高。

不幸的是，在微壓差和非常高的靜態(tài)壓力情況下，出現(xiàn)意外超壓的傳感器可能會(huì)需要重新校準(zhǔn)，而且更有可能的是會(huì)變得無效。如果被測系統(tǒng)中發(fā)生大泄漏也會(huì)導(dǎo)致相同的結(jié)果。

最新一代的傳感器必須解決這些問題。因此，傳感器變得更加堅(jiān)固。它們可承受相對(duì)更高的過壓范圍，無論是正向（過程）還是負(fù)向（參考）。這是一個(gè)非常重要的新特點(diǎn)。以前，傳感器只在正向有過壓保護(hù)。但是反向的泄漏可能會(huì)導(dǎo)致傳感器的反向過壓。在兩個(gè)方向上都有充分保護(hù)的傳感器適用于可能會(huì)發(fā)生意外超壓或者大泄漏的應(yīng)用。如果發(fā)生這種情況，傳感器仍會(huì)繼續(xù)正常工作。

傳感器可承受其額定耐受壓力（如150 PSI）的意外過壓，然后恢復(fù)到正常狀態(tài)。如果超出耐受壓力，則隔膜可能會(huì)永久變形，導(dǎo)致零點(diǎn)漂移。如果任何一個(gè)端口的壓力超出破裂壓力（例如300 PSI），都會(huì)破壞傳感器室，導(dǎo)致焊縫失效、密封件泄漏或者隔膜或外殼破裂。

OME和應(yīng)用工程師必須了解傳感器的耐受壓力和破裂壓力限值。此外，他們還必須明白他們自己的系統(tǒng)可能會(huì)意外通風(fēng)，或者測試設(shè)備的部件沒有密閉，這都可能會(huì)損壞傳感器。因此，他們應(yīng)當(dāng)使用小巧、堅(jiān)固、在兩個(gè)方向都有充分保護(hù)的不銹鋼傳感器，從而承受這些意外情況。

 圖1：壓力傳感器性能限值

4.管路壓力影響

除了過壓外，還需要考慮管路壓力的變化，特別是在靜態(tài)管路壓力較高的泄漏檢測應(yīng)用中。管路壓力是施加到傳感器端口上的絕對(duì)壓力。然而，靜態(tài)管路壓力的一些變化可能會(huì)導(dǎo)致傳感器外形產(chǎn)生輕微的應(yīng)力變形。這些應(yīng)力反過來會(huì)改變傳感器的校準(zhǔn)響應(yīng)，影響傳感器的零點(diǎn)和量程。最新一代的傳感器采用的設(shè)計(jì)可顯著降低靜態(tài)壓力對(duì)感測元件造成的應(yīng)變。尋找具有額定低壓效應(yīng)的傳感器，例如2% FS/100 PSIG。

幸運(yùn)的是，管路壓力導(dǎo)致的誤差可以通過設(shè)備重新校準(zhǔn)或者重新歸零校正。這可以通過電位計(jì)來手動(dòng)完成，或者也可以使用帶小型校準(zhǔn)按鍵的高級(jí)型號(hào)（配備安裝在傳感器上的數(shù)字顯示器）進(jìn)行簡單安全的校正調(diào)整。校準(zhǔn)鍵功能包括零點(diǎn)、量程的重置，以及恢復(fù)工廠設(shè)置。

5.響應(yīng)時(shí)間

響應(yīng)時(shí)間是另一個(gè)重要因素，特別是對(duì)于壓力控制和風(fēng)洞應(yīng)用。傳感器的響應(yīng)時(shí)間（傳感器從響應(yīng)一個(gè)施加壓力，到產(chǎn)生輸出信號(hào)的時(shí)間間隔）主要由傳感器感測元件采用的技術(shù)和電子元件決定。使用電容感測技術(shù)的隔膜通常響應(yīng)非?？焖?。它們通過傳感電容器兩端的電壓變化來檢測和測量壓力，電容器的一個(gè)極板是能夠反映施加壓力輕微變化的膜片。造成的電容變化會(huì)被傳感器的電子元件檢測到，該電子元件經(jīng)過線性化、熱補(bǔ)償、調(diào)制，會(huì)輸出成比例的高水平信號(hào)。

對(duì)快速響應(yīng)時(shí)間的需求取決于應(yīng)用。例如，在測量動(dòng)態(tài)氣流速度變化的風(fēng)洞應(yīng)用中，傳感器的信號(hào)輸出必須隨著風(fēng)速變化，因此需要快速的響應(yīng)時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)試驗(yàn)臺(tái)、泄漏檢測和風(fēng)洞應(yīng)用，10-80毫米的響應(yīng)時(shí)間通常是可以接受的。對(duì)于響應(yīng)時(shí)間不那么重要的常規(guī)處理和監(jiān)測應(yīng)用，通常響應(yīng)時(shí)間是若干秒鐘，而不是若干毫秒。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，理解壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間需求是十分重要的，并不總是越快越好。如果傳感器響應(yīng)速度過快，則有時(shí)快速傳感器會(huì)響應(yīng)短暫的未過濾和不需要的系統(tǒng)噪聲或者湍流壓力波動(dòng)。在這種情況下，過濾輸出信號(hào)可以衰減掉這些不需要的干擾。

6.其他注意事項(xiàng)

此外，還建議選擇具有卓越長期穩(wěn)定性的傳感器，能夠在相對(duì)較長的時(shí)間內(nèi)保持性能特性，特別是量程穩(wěn)定性。通常，穩(wěn)定性應(yīng)當(dāng)小于±0.15% FS/Yr。該額定值會(huì)在傳感器的規(guī)格單中給出。

還可查看規(guī)格單，檢查傳感器是否通過CE和RoHS認(rèn)證。擁有CE標(biāo)志意味著傳感器符合歐盟的客戶安全性、健康和環(huán)保要求。RoHS認(rèn)證指定了傳感器的6種有害物質(zhì)的最大允許含量：鉛、汞、鎘、六價(jià)鉻、PBB和PBDE。

最后，尋找一個(gè)可提供多種配置傳感器的供應(yīng)商。這將使得最終用戶能夠與一個(gè)制造商合作，獲得具有適合各種不同應(yīng)用的特定精度、分辨率和量程的傳感器。

試驗(yàn)臺(tái)和泄漏檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和制造商、應(yīng)用和銷售工程師以及分銷商，始終在尋找具有頂級(jí)特性和功能的傳感器，以滿足他們難以實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)性需求。

他們可以確信如今的差壓傳感器具有高精度、高過壓能力、低熱誤差、卓越的穩(wěn)定性、高管路壓力、以及堅(jiān)固的不銹鋼結(jié)構(gòu)。這些特性被傳感器供應(yīng)商通過其持續(xù)研發(fā)計(jì)劃不斷地提高。持續(xù)改進(jìn)的傳感器有助于確保系統(tǒng)制造商繼續(xù)生產(chǎn)最高質(zhì)量的產(chǎn)品。