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压力传感器原理

更新时间  2021-10-23
在工业实践中,压力传感器在zui上普遍使用,它广泛用于各种工业自控环境,涉及水利水电.铁路交通.智能建筑.生产自控.航空航天.军工.石化.油井.电力.机床.管道等众多行业,以下简要介绍几种常见的传感器原理及其应用。
1.应变式压力传感器的原理和应用。
各种机械传感器有许多种,例如,应变阻器的电阻,半导体应变片压力传感器.压阻式压力传感器.电感压力传感器.电容式压力传感器.谐振式压力传感器和电容式加速度传感器等。但是,应用于压阻式压力传感器,其价格低廉,精度高,线性性能好。以下是对此类传感器的介绍。
对于压阻式力敏元件,我们首先要知道电阻应变片这一元件。电阻器是一种能把被测部件上的应变变化转化成电信号的敏感器件。其核心部件之一是压阻应变传感器。在应变片上,电阻应用zui比金属电阻应变片和半导体应变片两种。另一种是金属电阻应变片,另一种是应变金属箔条和金属箔条。一般用特殊粘合剂将应变片紧密粘结在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,该电阻也会一起产生形变,使应变片的阻值发生变化,使加在电阻上的电压发生变化。这类应变片在受力时产生的阻值变化通常比较小,一般这类应变片构成应变电桥,由随后的仪表放大器放大,再传送到显示或执行机构(通常是A/D转换和CPU)。
要使金属电阻片内部结构改变。
正如图1所示,一种电阻的应变片结构示意图,该电阻由基本材料.金属变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。按用途可改变电阻的阻值,由设计师设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流过大;与此同时,要使自身的温度变得过高,在不同的环境下使用,会使应变片的阻值变化过大,输出零点漂移明显,而调零电路又比较复杂。而且阻力过大,阻抗过高,对外界的干扰能力不强。通常情况下都是几十欧到几千欧左右。
电阻器要改变其工作原理。
应变电性金属电阻的工作原理是吸附于基体材料上的应变电阻与机械变形时的阻值变化,这一现象被称为电阻应变效应。下式可以表示金属导体的电阻值:
公式:ρ--金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)
S--导体的截面(cm2)
L-导体长度(m)
举一个例子,金属丝的应变电阻,在受到外力的作用下,长度和截断面积都会发生变化,上式中不难看出,当金属丝受外力的作用而伸长时,其长度增加,截面积减小,电阻值就会增大。在外力作用下,金属丝的长度减小,截面增大,电阻值减小。只需测得电阻上加的变化(通常测量电阻两端的电压),就可以得到应变金属丝的应变情况。
2.陶瓷压力传感器的原理和应用。
陶瓷压力传感器不会有液体转移,压力直接作用于陶瓷膜片的正面,造成膜片发生微小变形,厚膜电阻印于背面,由一座惠斯通电桥(闭桥)连结起来,因为压敏电阻的压阻作用,使得电桥产生一种与压力成比例的高度线性,并与激励电压成比例。根据压力量程的不同,标准信号标定为2.0/3.0/3.3mV/V等,可与应变传感器兼容。采用激光标定技术,该传感器具有较高的温度稳定性和时间稳定性,可自带温度补偿0~70℃,可与大多数介质直接接触。
众所周知,陶瓷具有高弹性.耐腐蚀.耐磨损.抗冲击和振动。其热稳定性能及其厚膜电阻可使其工作温度范围达到-40~135℃,且测量精度高,稳定性好。电绝缘度>2kV,输出信号强,长期稳定。性能优良、价格低廉的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向,在欧美国家已有全面替代其他传感器的趋势,在中国也越来越多的采用陶瓷传感器代替扩散硅压力传感器。
3.扩散硅压敏元件的原理和应用。
工作原理
介质压力直接作用在传感器膜片(不锈钢或陶瓷)上,使膜片产生与介质压力成比例的微位移量,使传感器电阻值发生改变,然后利用电子线路检测这种变化,然后输出与此压力相对应的标准测量信号。
原理图
4.蓝宝石压力传感器的原理和应用。
应用电阻法原理,用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有测量特性。
蓝宝石是由单晶体绝缘元件构成,不会产生滞后.疲劳和蠕变;蓝宝石比硅更坚硬,硬度更高,不怕变形;蓝宝石具有极佳的弹性和绝缘性能(1000OC以内),所以用硅-蓝宝石制成的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温环境下仍具有良好的工作性能;另外,蓝宝石的抗辐射性能极佳;硅-蓝宝石半导体敏感元件,不带p-n漂移,所以从根本上简化生产过程,提高可重复性,保证高成品率。
采用硅-蓝宝石型半导体敏感元件制作的压力传感器和变送器,能在各种恶劣环境中正常工作,可靠性高,精度高,温度误差小,性价比高。
压力式压力传感器和变送器是由两个膜片组成的:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。一块蓝宝石板焊接在钛合金测量膜片上,具有异质外延应变敏感电桥电路。测试的压力传送到接收隔膜(接收隔膜和测量隔膜之间用拉杆牢固地连接在一起)。钛合金接受膜片在压力作用下产生形变,该受压型被硅-蓝宝石敏感元件感应到的电桥输出电压会发生变化,其变幅与测量压力成正比。
该传感电路能保证应变电桥电路的供电,并能将应变电桥上的不平衡信号转化成统一的电信号输出(0-5,4-20毫A或0-5V)。绝压式压力传感器和变送器中,蓝宝石金属片,与陶瓷基极的玻璃焊料连接起来,作为一个弹性元件,把测压转换成应变片形状,以实现压力测量。
5.压电式压力传感器的原理和应用。
压电式传感器主要采用的压电材料有石英。酒石酸钾、磷酸二氢胺等。而石英(SiO2)是一种自然的晶体,它有压电效应,在一定温度范围内始终存在着压电性,但是当温度超过这个范围后,压电性就会完全消失(这就是所谓的“居里点”)。因为在应力作用下电场变化很小(即压电系数较小),石英逐渐被其它压电晶体取代。酒石酸钾钠有很大的压电感度和压电系数,但它只适用于室温湿度较低的环境。磷酸二氢胺是一种人工晶体,能耐高温和较高湿度,因此被广泛使用。
目前压电效应也被应用于多晶体,例如目前的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷.铌酸盐压电陶瓷,铌镁酸压电陶瓷等。
压电式传感器是其基本工作原理,压电传感器在受外力作用后,由于其输入阻抗无穷大,所以压电传感器无法用来进行静态测量。因此,压电式感应器只能用来测量动态应力,而实际情况并非如此。
压电式传感器主要用于测量加速度、压力、力等。压电式加速度传感器是一种常用的加速度传感器。该产品具有结构简单、体积小、重量轻、寿命长等优点。压电式加速度传感器已广泛应用于飞机.汽车.船舶.桥梁和建筑的振动与冲击测量,尤其是在航空航天等领域,其作用更为突出。压电传感器还可用于测量真空度和内燃机内燃烧压力的测量。还可应用于军事工业,如用它测量枪炮子弹在膛内击打时瞬间膛压的变化和炮口冲击压力。这是一种既可测量高压的方法。