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標(biāo)題: 市場上常見的壓力傳感器的種類及原理分析 [打印本頁]

作者: coolice 時間: 2020-1-3 15:17
標(biāo)題: 市場上常見的壓力傳感器的種類及原理分析
什么是壓力傳感器呢?壓力傳感器是指將接收的氣體、液體等壓力信號轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(4~20mADC)，以供給指示報警儀、記錄儀、調(diào)節(jié)器等二次儀表進行測量、指示和過程調(diào)節(jié)的元器件。它主要是由測壓元件傳感器、測量電路和過程連接件等組成的（進氣壓力傳感器）。
　　那么壓力傳感器的種類有哪些呢?就目前市場而言，壓力傳感器一般有差壓傳感器、絕壓傳感器、表壓傳感器，靜態(tài)壓力傳感器和動態(tài)壓力傳感器。對于這幾者之間的關(guān)系，我們可以這樣定義定義：差壓是兩個實際壓力的差，當(dāng)差壓中一個實際壓力為大氣壓時，差壓就是表壓力。絕壓是實際壓力，而有意義的是表壓力，表壓力=絕壓-大氣壓力。靜態(tài)壓力是管道內(nèi)流體不流動時的壓力。動態(tài)壓力可以簡單理解為管道內(nèi)流體流動后發(fā)生的壓力。
　　根據(jù)不同的方式壓力傳感器的種類也不盡相同。小編通過搜集整理資料，將與壓力傳感器的種類相關(guān)的知識做如下介紹，下面我們來看具體分析。

　　1.擴散硅壓力傳感器
　　擴散硅壓力傳感器工作原理是被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。

　　2.壓電式壓力傳感器
　　(1)壓電式壓力傳感器原理
　　壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

　　(2)壓電式壓力傳感器的種類與應(yīng)用
　　壓電式壓力傳感器的種類和型號繁多，按彈性敏感元件和受力機構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關(guān)系的電信號。這種傳感器的特點是體積小、動態(tài)特性好、耐高溫等。
　　現(xiàn)代測量技術(shù)對傳感器的性能出越來越高的要求。例如用壓力傳感器測量繪制內(nèi)燃機示功圖，在測量中不允許用水冷卻，并要求傳感器能耐高溫和體積小。壓電材料最適合于研制這種壓力傳感器。石英是一種非常好的壓電材料，壓電效應(yīng)就是在它上面發(fā)現(xiàn)。目前比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ(+20°～+30°)割型的石英晶體可耐350℃的高溫。而LiNbO3單晶的居里點高達1210℃，是制造高溫傳感器的理想壓電材料。

　　3.應(yīng)變片(力學(xué))壓力傳感器
　　(1)應(yīng)變片(力學(xué))壓力傳感器的種類
　　力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、高溫壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)高溫壓力變送器變片壓力傳感器、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。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

　　(2)應(yīng)變片(力學(xué))壓力傳感器原理
　　在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。
　　我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓)，即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情。
　　通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

　　4.藍寶石壓力傳感器
　　(1)藍寶石壓力傳感器原理
　　表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上(接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起)。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變，該形變被硅-藍寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會發(fā)生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。

　　(2)藍寶石壓力傳感器應(yīng)用
　　利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅- 藍寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。
　藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象;藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變;藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性(1000 OC 以內(nèi))，因此，利用硅- 藍寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性;藍寶石的抗輻射特性極強;
　　另外，硅- 藍寶石半導(dǎo)體敏感元件，無防爆壓力變送器p-n 漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。
　　用硅- 藍寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。

　　5.陶瓷壓力傳感器
　　陶瓷壓力傳感器原理
　　抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激隔爆溫度變送器勵電壓也成正比的電壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補償0 ～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

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