2. 压力测量原理与仪表

压力是流体系统中最常被测量的过程参数之一，但“压力”本身并不是一个单一量。工程上至少存在三种彼此关联又相互区别的压力表示方式：绝对压力、表压和差压。理解它们的定义与换算关系，是正确选型、安装和校准压力仪表的前提。本节从参照基准出发，梳理三类压力的测量原理，并进一步分析常见压力传感器的结构特点与输出特性。

一、三种压力的参照基准与换算关系

绝对压力（absolute pressure，常记作 P_abs）以完全真空为零点，是热力学计算、气体状态方程和物性查表中真正使用的压力量。表压（gauge pressure，P_g）以当地大气压为零点，是绝大多数工业压力表、压力变送器直接显示或输出的量。差压（differential pressure，ΔP）则是两个压力端口之间的差值，它不关心各自相对真空或大气的绝对值，只关心两者之差。

三者关系可写为：

P_abs = P_g + P_atm
ΔP    = P1 - P2
P_g   = P_abs - P_atm

其中 P_atm 为当地大气压。需要特别强调的是，大气压随海拔、天气变化而波动，同一台表压变送器在不同地点、不同时间测得的“同一压力”，换算成绝对压力后可能相差数 kPa。因此在涉及气体密度、流量标况换算、真空度判断等场合，必须明确使用的是哪一种压力，并记录测量时的大气压基准。

当被测压力低于大气压时，表压为负值，工程上称为真空度或负压。例如某真空泵入口表压为 −60 kPa，若当地大气压为 101.3 kPa，则绝对压力约为 41.3 kPa。这个换算在真空系统、冷凝器、吸入口测量中非常常见，也是初学者最容易混淆的地方。

二、常见压力传感器类型与工作原理

工业现场的压力传感器种类繁多，但从敏感机理看，主流类型集中在以下几类。

压阻式传感器是最常见的一类。它利用硅或陶瓷膜片上的压敏电阻组成惠斯通电桥，当膜片受压变形时，电阻值发生变化，电桥输出与压力近似成正比的毫伏级电压。其优点是灵敏度高、响应快、成本低、易于集成；缺点是输出信号较弱，通常需要温度补偿和放大，且对过压和介质腐蚀较敏感。压阻式传感器广泛用于表压、绝压和差压变送器。

电容式传感器以膜片作为可动电极，与固定电极构成电容。压力使膜片位移，电容随之改变，通过测量电容变化得到压力。电容式传感器灵敏度高、温漂小、稳定性好，适合低压和微差压测量，但结构相对复杂，对寄生电容和安装应力较敏感。

压电式传感器利用压电晶体在受力时产生电荷的效应，输出与压力变化率相关。它适合测量动态压力、脉动压力和冲击压力，但不能用于真正的静态压力测量，因为电荷会随时间泄漏。压电式传感器常见于燃烧分析、水锤和爆炸冲击测试。

应变式传感器将金属或半导体应变片粘贴在弹性元件上，通过应变片电阻变化测量压力。它量程宽、结构坚固、抗过载能力强，常用于高压和恶劣工况，但输出灵敏度相对较低，需要稳定的激励和放大。

谐振式传感器利用压力改变谐振元件（如振筒、振膜、石英晶体）的固有频率，通过测量频率得到压力。其输出为准数字频率信号，抗干扰能力强、长期稳定性好，常用于高精度绝压和差压测量，但成本较高、响应速度相对较慢。

三、输出特性与选型要点

不同传感器的输出形式差异很大，直接决定了后续信号采集与校准方式。常见输出包括：毫伏级电压（如 1～20 mV/V）、0～5 V 或 0～10 V 电压、4～20 mA 电流、频率/脉冲以及数字总线信号（如 HART、RS-485、Modbus）。其中 4～20 mA 因抗干扰强、可远传、便于断线检测，成为工业变送器的主流输出。

选型时需重点关注以下参数：量程与过压能力、精度等级、长期稳定性、温度系数、介质兼容性、供电方式以及输出类型。例如测量锅炉炉膛负压，应选择微差压量程、耐温且带隔离的差压变送器；测量液压系统高压，则应选择大量程、抗冲击的应变式或压阻式传感器。

下面用一张图概括三类压力的参照关系、典型传感器及其输出特性，便于对照理解。

四、从原理到校准的衔接

理解三类压力的参照关系和传感器输出特性，直接决定了校准工作的开展方式。校准一台表压变送器时，通常以大气为起点施加标准压力，检查其零点和量程；校准绝压变送器时，则需要在真空或已知绝压基准下进行，不能简单地把当前大气压当作零点；校准差压变送器时，要同时关注正负压端口的连接方式和静压影响。

此外，传感器的输出类型也影响校准系统的搭建。mV/V 输出的传感器需要高输入阻抗的测量仪表和稳定的激励电源；4～20 mA 输出可直接串入精密电阻转换为电压测量；频率输出则需频率计或计数器。只有把压力基准、传感器机理和输出形式三者对应起来，才能设计出合理的校准链路，并为后续的不确定度评定打下基础。