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压力传感器的原理和分类

文字:[大][中][小] 2020-5-7    浏览次数:1249    


人类社会环境中,压力无处不在啊,所以压力传感器天然成为了工业实践中为常用的一种传感器,其广泛运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、船舶、机床、管道等众多行业。 


压力传感器是将压力转化为电信号输出的传感器。 在叙述压力传感器的一同,bet3365官方亚洲版必须导出压力变送器的概念。 一般传感器由两部分组成,即分别是活络元件和转化元件。其间活络元件是指传感器中可以直接感受或照应被测量的部分;转化元件是指传感器中将活络元件感受或照应的被测量的应变转化成适于传 输或测量的电信号部分。 


由于传感器的输出信号一般很微弱,需求将其调制与扩大。跟着集成技术的发展,人们又将这部分电路及电源等电路也一同装在传感器内部。这样,传感器就可以输出便于处理,传输的可用信号了。 而在以前技术相对落后时,所谓的传感器是指上文中的活络元件,而变送器就是上文中的转化元件。 压力传感器一般是指将改动的压力信号转化成对应改动的电阻信号或电容信号的活络元件,如:压阻元件,压容元件等。而压力变送器一般是指,压敏元件与调度电路一同组成的测量压力的整套电路 单元,一般能直接输出与压力成线性联络的标准电压信号或电流信号,供表面、PLC、收集卡等设备直接收集。 压力传感器的分类 压力传感器的种类繁复,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。

          

 现在运用较为广泛的压力传感器有:涣散硅压阻式压力传感器、陶瓷压阻压力传感器、溅射薄膜压力传感器、电容压力传感器、耐高温特性的蓝宝石压力传感器。但运用为广泛的是压阻式压力传感 器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 各种压力传感器的原理 压阻式压力传感器 这种传感器选用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线。 提到压阻式传感器,首先得讲到它的原理——压阻效应。 压阻效应是用来描述材料在遭到机械式应力下所发生的电阻改动。


不同于压电效应,压阻效应只发生阻抗改动,并不会发生电荷。 原理图如上,当压力改动时,电阻R1,R2,R3,R4发生改动,然后引发加载在电阻中间的电压发生改动,这种改动反映出压力值。 压阻式传感器又称为涣散硅压阻式压力传感器,被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片发生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生改动,和用电子线路检 测这一改动,并转化输出一个对应于这一压力的标准测量信号。


 陶瓷压力传感器 抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片发生细小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,联接成一个惠斯通电桥(闭桥),由于压敏电阻的压阻效 应,使电桥发生一个与压力成正比的高度线性、与鼓励电压也成正比的电压信号,标准的信号依据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定,传感 用具有很高的温度稳定性和时间稳定性,传感器自带温度补偿0 ~70℃,并可以和绝大多数介质直接触摸。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振荡的材料。


陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的作业温度规模高达-40 ~135 ℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度 2kV,输出信号强,长时间稳定性好。 压电式压力传感器 压电式压力传感器原理根据压电效应。压电效应是某些电介质在沿必定方向上遭到外力的作用而变形时,其内部会发生极化现象,一同在它的两个相对表面上呈现正负相反的电荷。当外力去掉后,它 又会康复到不带电的状况,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改动时,电荷的极性也随之改动。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的 变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。 


压电式压力传感器的种类和型号繁复,按弹性活络元件和受力机构的方法可分为膜片式和活塞式两类。膜片式首要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压 电元件,再由压电元件输出与被测压力成必定联络的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的功能出越来越高的要求。 例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图,在测量中不允许用水冷却,并要求传感器身手高温和体积小。


压电材料合适于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料,压电效应就是在它上面 发现。比较有效的方法是挑选合适高温条件的石英晶体切开方法,例如XYδ(+20°~+30°)割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃,是制造高温传感器的理想压电材 料。 电阻应变式压力传感器 将电阻应变片粘贴在弹性元件特定表面上,当力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于弹性元件时,会导致元件应力和应变的改动,然后引起电阻应变片电阻的改动。电阻的改动经电路处理后 的以电信号的方法输出,这就是电阻应变片传感器的作业原理。 电阻应变片运用多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。

       

金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。一般是将应变片通过特别的粘和剂严密的粘合在发生力学应变基体上,当基体受 力发生应力改动时,电阻应变片也一同发生形变,使应变片的阻值发生改动,然后使加在电阻上的电压发生改动。这种应变片在受力时发生的阻值改动一般较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并 通过后续的表面扩大器进行扩大,再传输给处理电路(一般是 A/D 转化和 CPU )显现或实行机构。 半导体应变片是运用半导体单晶硅的压阻效应制成的一种活络元件。半导体应变片需求粘贴在试件上测量试件应变或粘贴在弹性活络元件上间接地感受被测外力。

运用不同构形的弹性活络元件可测量 各种物体的应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量。


半导体应变片与电阻应变片比较,具有活络系数高(约高 50~100倍)、机械滞后小、体积小、耗电少等利益。 电感式压力传感器 电感式压力传感器是用电感线圈电感量改动来测量压力的表面。 常见的有气隙式和差动变压器式两种结构方法。气隙式的作业原理是被测压力作用在膜片上使之发生位移,引起差动电感线圈的磁路磁阻发生改动,这时膜片距磁心的气隙一边添加,另一边减少,电 感量则一边减少.另一边添加,由此构成电感差动改动,通过电感组成的电桥输出一个与被测压力相对应的沟通电压。具有体积小、结构简略等利益,合适在有振荡或冲击的环境中运用。


 差动变压器式的作业原理是被侧压力作用在绷簧管_L,使之发生与压力成正比的位移,一同带动联接在绷簧管结尾的铁心移动,使差动变压器的两个对称的和反向串接的次级绕组失去平衡,输出一个 与被测压力成正比的电压.也可以输出标准电流信号与电动单元组合表面联用构成自动控制系统。 电容式压力传感器 电容式压力传感器是运用电容活络元件将被测压力转化成与之成必定联络的电量输出的压力传感器。特点是,低的输入力和侏儒能量,高动态照应,小的天然效应,环境适应性好。它一般选用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间构成的电容量发生改动,通过测量电路即可输出与电压成必定联络的电信号。电容式压 力传感器归于极距改动型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。


 单电容式压力传感器 它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,然后改动电容器的容量,其活络度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极 取凹形球面状,膜片为周边固定的张紧平面,膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压,并有较高过载才干。还可以选用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种 型式可减小膜片的直接受压面积,以便选用较薄的膜片进步活络度。它还与各种补偿和保护部以及扩大电路全体封装在一同,以便进步抗干扰才干。

       

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥 测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。 差动电容式压力传感器 它的受压膜片电极坐落两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,测量成果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层 而制成。过载时膜片遭到凹面的保护而不致决裂。差动电容式压力传感器比单电容式的活络度高、线性度好,但加工较困难(特别是难以确保对称性),而且不能实现对被测气体或液体的隔绝,因此 不宜于作业在有腐蚀性或杂质的流体中。 谐振式压力传感器 运用谐振元件把被测压力转化成频率信号的压力传感器。它是谐振式传感器的重要运用方面,首要有振弦式压力传感器、振筒式压力传感器、振膜式压力传感器和石英晶体谐振式压力传感器。 


当被测参量发生改动时,振荡元件的固有振荡频率随之改动,通过相应的测量电路,就可得到与被测参量成必定联络的电信号。其利益是体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高以及便于数据 传输、处理和存储等。 薄膜压力传感器 溅射薄膜压力传感器也是运用电阻应变效应作业的,与传统应变式压力传感器归于同一原理。两者的首要不同制造工艺上。溅射薄膜压力传感器延用了测量压力的金属弹性膜片原理,运用离子束溅射 和刻蚀工艺,将应变电桥直接制造在金属测压膜上,由于没有活动部件,抗轰动和抗冲击才干很强,可用于恶劣的环境。


 蓝宝石压力传感器 选用硅-蓝宝石作为半导体活络元件,具有的计量特性。 表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变活络电桥电路的蓝宝石薄片,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片 与测量膜片之间用拉杆稳固的联接在一同)。在压力的作用下,钛合金接收膜片发生形变,该形变被硅-蓝宝石活络元件感知后,其电桥输出会发生改动,改动的起伏与被测压力成正比。 传感器的电路可以确保应变电桥电路的供电,并将应变电桥的失衡信号转化为统一的电信号输出(0-5,4-20mA或0-5V)。


在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片,与陶瓷基极玻璃焊料联接在一 起,起到了弹性元件的作用,将被测压力转化为应变片形变,然后抵达压力测量的目的。 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成,不会发生滞后、疲乏和蠕变现象;蓝宝石比硅要稳固,硬度更高,不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性( 1000 OC 以内),因此,运用硅 - 蓝宝石制 造的半导体活络元件,对温度改动不活络,即便在高温条件下,也有着很好的作业特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;别的,硅 - 蓝宝石半导体活络元件,无 p-n 漂移,因此,从根本上简化了制造工 艺,进步了重复性,确保了高成品率。 用硅 - 蓝宝石半导体活络元件制造的压力传感器和变送器,可在恶劣的作业条件下正常作业,而且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 压力传感器在工业运用中为广泛,它一同还面临着选型优化、装置检测、毛病扫除、零点漂移等运用的问题,bet3365官方亚洲版将为bet3365官方亚洲版一一道来。

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