壓力傳感器基礎(chǔ)-入門(mén)培訓(xùn)

壓力傳感器基礎(chǔ)

——入門(mén)培訓(xùn)(V1.0)

長(zhǎng)沙澤天電子科技有限公司2011年8月16日

主要內(nèi)容1.壓力傳感器與壓力變送器2.壓力傳感器的應(yīng)用場(chǎng)合3.壓力傳感器市場(chǎng)與發(fā)展方向4.壓力傳感器的分類5.幾種常用的壓力傳感器類型6.壓力傳感器的原理7.壓力傳感器的主要參數(shù)8.壓力變送器產(chǎn)品9.壓力變送器生產(chǎn)與使用中的注意事項(xiàng)工程技術(shù)上所稱的“壓力”實(shí)質(zhì)上就是物理學(xué)里的“壓強(qiáng)”，定義為均勻而垂直作用于單位面積上的力?；締挝粸椋篜a（帕斯卡），KPa、MPa、Bar（巴）1.1什么是壓力？1.壓力傳感器與壓力變送器

1Bar=100KPa1工程大氣壓＝1Kgf/cm2=98.0665KPa1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓＝101.325KPa1.2壓力傳感器一種能將壓力這一被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之有一定的規(guī)律的、便于后續(xù)檢測(cè)、傳輸或處理的部件或裝置。1.4差壓變送器與液位變送器習(xí)慣上，我們把壓力傳感器和壓力變送器都稱為壓力傳感器！2.壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

壓力傳感器的測(cè)量對(duì)象流體（液體、氣體、溶體）通常把壓力傳感器的測(cè)量對(duì)象叫做被測(cè)介質(zhì)壓力傳感器廣泛應(yīng)用于能源工業(yè)、航天航空、交通運(yùn)輸、業(yè)冶金機(jī)械制造、輕工紡織、城市供水污水處理、環(huán)保、氣象、家用電器...

2.1航空航天氣瓶壓力傳感器服裝壓力傳感器1.3壓力變送器將壓力傳感器的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)（電流、電壓、頻率等）輸出。2.2在汽車上的應(yīng)用2.3石油和天然氣2.4食品和醫(yī)療2.5工業(yè)控制2.6污水處理用于液位測(cè)量的深水傳感器高純水系統(tǒng)反滲透控制

高壓控制，低密度聚合物反應(yīng)器

過(guò)程控制進(jìn)/出口冷卻壓力汽車噴漆房

化學(xué)廢物處理業(yè)過(guò)程控制廢物沼氣池

泵站流量測(cè)量3.壓力傳感器市場(chǎng)與發(fā)展方向壓力是工業(yè)過(guò)程控制的第一大參數(shù)，壓力傳感器是傳感器中的重要門(mén)類，其產(chǎn)值占世界傳感器市場(chǎng)額的第一位。2003年世界壓力傳感器市場(chǎng)總額達(dá)到350億美元，2012年預(yù)計(jì)達(dá)600億美元。在市場(chǎng)銷售方面，美國(guó)居首位，代表公司為庫(kù)力特、霍尼韋爾、摩托羅拉、?？怂共_、羅斯蒙特公司等。3.1國(guó)內(nèi)市場(chǎng)1國(guó)內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用分布主要用途市場(chǎng)需求量(萬(wàn)只)占?jí)毫κ袌?chǎng)總比率能源工業(yè)17個(gè)陸、海上油田，8個(gè)氣油田，69個(gè)大型礦區(qū)，360多個(gè)大型電廠，1000多家中型煉油廠發(fā)電機(jī)組控制，電力調(diào)度與控制，水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)，城市供水，油田、采煤界面安全，核電站等數(shù)字采集與控制160019.2%航天航空交通運(yùn)輸業(yè)120個(gè)港口碼頭，6000艘遠(yuǎn)洋船，3萬(wàn)多條拖船，300萬(wàn)輛/年汽車，20多個(gè)飛機(jī)制造加工基地發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)洋貨船，內(nèi)燃機(jī)車，車站供水，氣檢測(cè)，汽車電噴等130015.6%冶金機(jī)械制造220多個(gè)冶金企業(yè)，300多個(gè)大型機(jī)床廠高爐自控，冶煉過(guò)程控制，自控車庫(kù)121014.5%國(guó)內(nèi)市場(chǎng)2國(guó)內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用分布主要用途市場(chǎng)需求量(萬(wàn)只)占?jí)毫κ袌?chǎng)總比率輕工紡織1000多家食品加工廠，5000多個(gè)酒廠，300多個(gè)紡機(jī)廠食品生產(chǎn)，酒容器計(jì)量，生產(chǎn)過(guò)程控制，紡織并條機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)118014.2%醫(yī)療衛(wèi)生50多家醫(yī)療器械廠，260多家制藥廠血壓計(jì)，醫(yī)療診斷與檢測(cè)，藥品制造加工8009.6%環(huán)保氣象1900多個(gè)氣象站，5000多個(gè)水文檢測(cè)站點(diǎn)，30多個(gè)重型鍋爐廠，3萬(wàn)多個(gè)廢水、氣排放點(diǎn)氣象檢測(cè)，廢氣、水檢測(cè)，鍋爐檢測(cè)3003.6%國(guó)內(nèi)市場(chǎng)3國(guó)內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用分布主要用途市場(chǎng)需求量(萬(wàn)只)占?jí)毫κ袌?chǎng)總比率家用電器120多家家電生產(chǎn)企業(yè)變頻空調(diào)，中央空調(diào)，吸塵器，洗衣機(jī)，飲水機(jī)，熱水器，家用冰箱等2002.4%重大工程300多個(gè)重點(diǎn)工程/年西氣東輸，南水北調(diào)，三峽工程，長(zhǎng)江、黃河防汛6007.2%其它類300多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，100多個(gè)高效農(nóng)業(yè)示范區(qū)科研，農(nóng)業(yè)等5006%3.3壓力傳感器的發(fā)展方向小型化如美國(guó)Entran公司生產(chǎn)的量程為2～500PSI的傳感器,直徑僅為1.27mm。集成化與其它測(cè)量用傳感器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)。智能化集成微處理器,使得傳感器具有自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。廣泛化從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展,例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)化形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO國(guó)際質(zhì)量體系;美國(guó)的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、日本的JIS標(biāo)準(zhǔn)。

4.壓力傳感器的分類

應(yīng)變式電容式差動(dòng)變壓器霍爾壓電4.1按測(cè)量原理分類：擴(kuò)散硅濺射膜應(yīng)變片陶瓷電容式藍(lán)寶石4.2按物理介質(zhì)分類4.3按壓力類型分類大氣壓力:指地球表面上的空氣柱重量所產(chǎn)生的壓力。絕壓（Absolutpressure）:絕對(duì)壓力，指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點(diǎn)以絕對(duì)真空為基準(zhǔn)，又稱總壓力或全壓力表壓（Gaugepressure）：指作用于物體表面積上的全部壓力，其零點(diǎn)以當(dāng)?shù)卮髿鈮簽閰⒖键c(diǎn)。密封表壓：密封表壓是在傳感器內(nèi)部封有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)的壓力值。差壓（Differentialpressure）：任意兩個(gè)壓力之差稱為差壓。如靜壓式液位計(jì)和差壓式流量計(jì)就是利用測(cè)量差壓的大小來(lái)測(cè)量液位和流體量的大小的。5.幾種常用的壓力傳感器類型擴(kuò)散硅壓阻式陶瓷壓阻壓力濺射薄膜壓力電容耐高溫特性的藍(lán)寶石壓力5.1目前應(yīng)用較為廣泛的壓力傳感器5.2常用壓力傳感器特性比較原理和工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)擴(kuò)散硅在溫度補(bǔ)償范圍內(nèi)（0—50℃或0—70℃）性能穩(wěn)定小量程和絕壓優(yōu)于其它類型靈敏度高低于0℃、高于80℃后，溫度穩(wěn)定

性會(huì)大幅度降低不能承受動(dòng)態(tài)壓力膜片易受損傷厚膜陶瓷成本低抗腐蝕性好使用溫度寬輸出跳動(dòng)，不易讀數(shù)壓力下降時(shí)回零慢、遲滯大陶瓷膜片薄而脆、易碎電容式量程全抗過(guò)載能力強(qiáng)性能穩(wěn)定體積大不能承受動(dòng)態(tài)壓力高溫需充硅油應(yīng)變片貼片低成本成熟傳統(tǒng)工藝由膠引起的時(shí)漂大靠手工生產(chǎn)離散性大濺射薄膜擴(kuò)散硅、厚膜、電容、應(yīng)變片所固有的缺點(diǎn)全都沒(méi)有全球公認(rèn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性不適于小量程測(cè)量成本高壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體材料具有各向異性，各個(gè)晶向晶面的應(yīng)變系數(shù)不同。通過(guò)半導(dǎo)體工藝在半導(dǎo)體材料上制作出一個(gè)惠斯通電橋，在受到外力以后擴(kuò)散在半導(dǎo)體上的電阻值會(huì)發(fā)生變化。6.壓力傳感器的原理

6.1擴(kuò)散硅、壓阻式壓力傳感器的工作原理

傳感器芯片示意圖力敏芯片芯片基底是（3×3）mm的正方體硅杯,是利用磨拋的硅片的正面擴(kuò)散惠斯登電橋的四個(gè)電阻,在背面腐蝕成硅杯,通過(guò)高溫氧化-光刻-離子注入-蒸鋁-腐蝕等的工藝流程制作的壓阻芯片濺射薄膜壓力傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)工作的，與傳統(tǒng)應(yīng)變式壓力傳感器屬于同一原理。兩者的主要差別制作工藝上。濺射薄膜壓力傳感器延用了測(cè)量壓力的金屬?gòu)椥阅て?，?yīng)用離子束濺射和刻蝕工藝，將應(yīng)變電橋直接制作在金屬測(cè)壓膜上，由于沒(méi)有活動(dòng)部件，抗震動(dòng)和抗沖擊能力很強(qiáng)，可用于惡劣的環(huán)境。生產(chǎn)廠家型號(hào)最大激勵(lì)輸出電壓精度工作溫度范圍STISTI80202mA100mV0.2級(jí)-40℃～125℃匯博HB21051.5mA50mV0.5級(jí)-40℃～100℃SMISM51023mA275mV0.2級(jí)-40℃～125℃MEASP63932mA150mV0.1級(jí)-50℃～150℃NOVAP8832mA133mV0.1級(jí)-40℃～125℃RampakRGI-M3mA200mV0.2級(jí)-40℃～150℃KELLERPA-105mA900mV0.1級(jí)-55℃～150℃廠家芯片6.2薄膜壓力傳感器工作原理

6.3薄膜傳感器與半導(dǎo)體壓阻式傳感器的比較6.4陶瓷壓阻式壓力傳感器

陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊合振動(dòng)的材料。低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也越來(lái)越多的用戶使用陶瓷傳感器代替擴(kuò)散硅壓力傳感器。陶瓷壓力傳感器沒(méi)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(gè)惠斯通電橋（閉橋），由于厚膜電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的電壓信號(hào)6.5藍(lán)寶石壓力傳感器藍(lán)寶石壓阻式壓力傳感器以機(jī)械性能高度穩(wěn)定的人造藍(lán)寶石為承壓材料。其主要特點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，溫度范圍寬（允許介質(zhì)溫度－196～400℃），抗震動(dòng)。主要用于介質(zhì)溫度特別低或特別高的場(chǎng)合及航天、航空和軍事用途。7.壓力傳感器的主要參數(shù)

非線性、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、分辨率、漂移、穩(wěn)定性7.2術(shù)語(yǔ)和定義

7.1靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有：量程的計(jì)算公式如下：XFS=Xmax-Xmin式中：XFS——量程，Pa；Xmax——測(cè)量范圍上限值，Pa；Xmin——測(cè)量范圍下限值，Pa。量程（XFS）滿量程輸出的計(jì)算公式如下：YFS=Ymax-Ymin式中：YFS——滿量程輸出值，V；Ymax——工作特性所決定的最大輸出值，V；Ymin——工作特性所決定的最小輸出值，V。滿量程輸出（YFS）線性的計(jì)算公式如下：ξL=±(ΔYL)max×100%YFS式中:ξL——線性，%；(ΔYL)max——實(shí)際平均特性曲線相對(duì)平移端基直線的最大偏差，V。線性（ξL）回差的計(jì)算公式如下：ξH=│(ΔYH)max│×100%YFS式中：ξH——回差，%；(ΔYH）max——實(shí)際正行程平均特性曲線相對(duì)實(shí)際反行程平均特性曲線的最大偏差，V?；夭睿é蜨）靈敏度采用下式計(jì)算：Sv=1000×Yf.S/Ui式中：Sv—靈敏度，mV/V；Ui—試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的激勵(lì)電源電壓值，V。靈敏度（Sv）計(jì)算公式如下：DO=│ΔY0│max×100%/TYf.S

式中：DO——零點(diǎn)漂移，%/h(或%/d)；│ΔY0│max——試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的零點(diǎn)輸出值的最大差值。T——試驗(yàn)時(shí)間。零點(diǎn)漂移（DO）計(jì)算公式如下：DFS=│ΔYFS│max×100%/TYf.S0rs——量程漂移，%/h(或%/d)；│ΔY0│max——試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的滿量程輸出值的最大差值。量程漂移（DFS）零點(diǎn)溫漂（γ）γ=YO（t2）-yO（t1）×100%YFS·（t2-t1）式中：γ——零點(diǎn)溫漂，%/℃；t1——試驗(yàn)前的室溫溫度，℃；t2——試驗(yàn)時(shí)的高溫或低溫溫度，℃；yO（t1）——室溫下測(cè)得的零點(diǎn)輸出值（V）；yO（t2）——試驗(yàn)高溫或低溫下測(cè)得的零點(diǎn)輸出值（V）。量程溫漂（β）β

=yFS（t2）-yFS（t1）×100%YFS·（t2-t1）式中：β——量程溫漂，%/℃；yFS（t1）——室溫下測(cè)得的滿量程輸出值，V；yFS（t2）——試驗(yàn)高溫或低溫下測(cè)得的滿量程輸出值，V。標(biāo)準(zhǔn)電流輸出二線制4～20mA三線制0～10mA標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出0～5V；1～5V；0.5～4.5V無(wú)線與智能輸出無(wú)線總線智能8.壓力變送器產(chǎn)品8.1公司現(xiàn)有主要產(chǎn)品:8.2一種典型的壓力變送器結(jié)構(gòu)壓力變送器：壓力傳感器（芯體）、接頭、壓環(huán)、外殼、調(diào)理電路、電器連器、導(dǎo)線等。螺紋接口：M20×1.5；M12×1、74°錐；G1/2；G1/4；NPT1/2；NPT1/4R1/2；R1/4等等液位變送器：壓力傳感器（芯體）、液位變送器殼體、調(diào)理電路、電纜投入式，安裝時(shí)，法蘭式，插入式等等8.3壓力變送器組成8.4產(chǎn)品命名規(guī)范代號(hào)產(chǎn)品大類ZPM液位ZLM液位ZFM流量ZTM溫度ZSB顯示儀表ZDQ采集模塊ZPM210ZPM218壓力傳感器ZPM310ZPM312ZPM3400壓力變送器ZPM331ZPM33壓力變送器ZPM3910ZPM3912高溫壓力變送器ZPM3610ZPM