壓力傳感器原理

1、目錄 1概述 2工作原理 1. 2.1電阻應變片 2. 2.2陶瓷型 3選型要點 4常見故障 5四個無法避免的誤差 6抗干擾措施 7八大發(fā)展趨勢 將壓力轉換為電信號輸出的傳感器。通常把壓力測量儀表中的電測式儀表稱為壓力傳感器。 壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是 使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與 壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應用于各種 工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。 壓力

2、傳感器-概述 力學傳感器的種類繁多，但常用的壓力傳感器有電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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，光纖壓力傳感器等。應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。 壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以 彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質量輕，不能提供電學輸出。隨著半導體技 術的發(fā)展，半導體壓力傳感器也應運而生。其特點是體積小、質量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著 MEMMEM皺術的發(fā)展，半導體傳感器向著

3、微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性 壓力傳感器-工作原理 壓阻式應變壓力傳感器的主要由電阻應變片按照惠斯通電橋原理組成。 電阻應變片 一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的 主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變 金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊 的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一 起產生形變， 使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小， 一般這種應變片都組成應變電橋， 并通過后續(xù)的儀表放大

4、器進行放大， 再傳輸給處理電路 （通常是 A/DA/D轉換和 CPUCPU 顯示或執(zhí)行機構。 金屬電阻應變片的內部結構 如圖所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻 的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。 惠斯通原理 片兩種。 電阻應變片內部結構 惠斯通電橋是采用比較法的思想對未知電阻

5、進行測量的。測量時選擇一定的比例臂數值（R1/R2R1/R2）并將電橋量的調整平衡，就可以將待測電阻（RxRx）與標 準電阻（R0R0）進行比較，從而確定待測電阻的阻值。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，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標 定為 2.0/3.0/3.3mV/V2.0/3.0/3.3mV/V 等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的 溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定

6、性，傳感器自帶溫度補償 0 070C70C, ,并可以和絕大多數介質直接接觸。 陶瓷型 瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的 厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達- -4040135C,135C,而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電 氣絕緣程度2kV,2kV,輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使 用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。 被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正 比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化

7、，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。 利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，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（10000c10000c 以內），因此，利用 硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，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- -藍寶石半導體敏感元件，無 p p- -n n 漂移，因 此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。用硅-藍寶石半導體敏感

8、 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。 表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外 延性應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。 傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號 輸出（0 0- -5,45,4- -20mA20mA 或

9、0 0- -5V5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力 測量的目的。 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經過外力作用 后的電荷，只有在回 路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒 石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體 中發(fā)現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f

10、壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓 電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬 于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用?，F在壓電效應也 應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋼壓電陶瓷、PZTPZT、鋸酸鹽系壓電陶瓷、 鋁鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空

11、和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。 它既可以用來測量大的壓力， 也可以用來測量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制 成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。 壓力傳感器-選型要點 陶瓷型壓力傳感器 在選擇合適的壓力傳感器過程中，了解介質的特點尤為重要。 介質的腐蝕性如何，導電性如何。根據介質的這些屬性選用相應類型的傳感器。 介質溫度范圍如何，一是介質的經常性的溫

12、度范圍為多少，根據此信息選擇補償溫度與 其范圍一致的傳感器，二是介質的最高溫度范圍，根據此信息選擇使用溫度范圍一致的傳感器。 若以上兩點如果選擇不正確，極有可能損害傳感器甚至引起事故。 壓力傳感器-常見故障 壓力傳感器容易出現的故障主要有以下幾種： 第一種是壓力上去，變送器輸也上不去。此種情況，先應檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住，如果確認不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進行簡單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有輸出，若無變化則傳感器已損壞，可能是儀表損壞或者整個 系統的其他環(huán)節(jié)的問題； 第二種是加壓變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去，很有可能是

13、壓力傳感器密封圈的問題。常見的是由于密封圈規(guī)格原因，傳感器擰緊之后密封 圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，加壓時壓力介質進不去，但在壓力大時突然沖開 密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看 零位是否正常，若零位正?？筛鼡Q密封圈再試； 第三種是變送器輸出信號不穩(wěn)。這種故障有肯是壓力源的問題。壓力源本身是一個不穩(wěn)定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強、傳感器本身振動很厲害和傳感器故障；第四種是變送器與指針式壓力表對照偏差大。出現偏差是正常的現象，確認正常的偏差范圍即可； 最后一種易出現的故障是微差壓變送器安裝位置對零位輸出的影響。微差壓變送

14、器由于 其測量范圍很小，變送器中傳感元件會影響到微差壓變送器的輸出。安裝時應使變送器的壓 力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定后調整變送器零位到標準值。 壓力傳感器-四個無法避免的誤差 在選擇壓力傳感器的時候我們要考慮他的綜合精度，而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響 呢？其實造成傳感器誤差的因素有很多，下面我們注意說四個無法避免的誤差，這是傳感器的初始誤差。 首先的偏移量誤差：由于壓力傳感器在整個壓力范圍內垂直偏移保持恒定，因此變換器擴散 和激光調節(jié)修正的變化將產生偏移量誤差。 其次是靈敏度誤差：產生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。 如果靈敏度低

15、于典型值， 那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產生原因在于擴散過程的變化。 第三是線性誤差： 這是一個對壓力傳感器初始誤差影響較小的因素， 該誤差的產生原因在于硅片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，還應包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線稱重傳感器。 最后是滯后誤差：在大多數情形中，壓力傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計，因為硅片具 有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。 壓力傳感器的這個四個誤差是無法避免的，我們只能選擇高精度的生產設備，利用高新技術 來降低這些誤差，還可以在出廠的時候進行一點的誤差校準，盡最大的可能來降低誤差以滿

16、 足客戶的需要。1 壓力傳感器-抗干擾措施 壓力傳感器直接接觸或接近被測對象而獲取信息。壓力傳感器與被測對象同時都處于被干擾 的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。尤其是壓電式壓力傳感器和電容式壓力傳感器很容易受干擾。壓力傳感器抗干擾措施一般從結構上下手。智能壓力傳感器還可以從軟件上著手 解決。 改進壓力傳感器的結構，在一定程度上可避免干擾的引入，可有如下途徑：將信號處理 電路與傳感器的敏感元件做成一個整體，即一體化。這樣，需傳輸的信號增強，提高了抗干 擾能力。同時，因為是一體化的，也就減少了干擾的引入；集成化傳感器具有結構緊湊、功能強的特點，有利于提高抗干擾能力；智能化傳感器可以從多方面在軟件

17、上采取抗干擾措施，如數字濾波、定時自校、特性補償等措施。 壓力傳感器一旦抗干擾性差容易受外界干擾，那么它的價值就打了折扣，其應用范圍受 到很大的限制。壓力傳感器是傳感器中應用最多的傳感器之一，其廣泛應用在工業(yè)、農業(yè)以 及服務業(yè)。在各種環(huán)境下都有應用，所以抗干擾性必須要相當可靠。目前壓力傳感器已能適 應很多環(huán)境在使用但是在有的環(huán)境中壓力傳感器的抗干擾性還是不夠好，我們必須從多角度， 結合高新科技來使得壓力傳感器的抗干擾性進一步提高。2 壓力傳感器-八大發(fā)展趨勢 一、壓力傳感器產業(yè)化發(fā)展模式：要加速形成從傳感器研究開發(fā)到大生產一條龍的產業(yè)化發(fā)展模式，走自主創(chuàng)新和國際合作相結合的跨越式發(fā)展道路，使我國成為世界傳感器的生 產大國。 二、傳感器產品結構向全面、協調、持續(xù)發(fā)展。產品品種要向高技術、高附加值傾斜，尤其要填補“空白”品種。 三、企業(yè)生產規(guī)模（年生產能力）向規(guī)模經濟或適宜規(guī)模經濟發(fā)展，量大面廣的通用傳 感器的生產規(guī)模將以年億只計，一些中檔傳感器的生產規(guī)模將以年產 10001000 萬只（含以上） 計；而一些高檔傳感器和專用壓力傳感器的生產規(guī)模將以年產幾十萬只幾百萬只計。 四、生產格局向專業(yè)化發(fā)展。專業(yè)化生產的內涵為：1 1.生產傳感器門類少而精；2 2.專門 生產某一應用領域需要的某一類傳感器系列產品，以獲得較高的市場占有率；3.3.各傳感器企 業(yè)的專業(yè)