壓力傳感器的工作原理及其應用

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 壓力傳感器是工業實踐中最爲常用的一種(zhǒng)傳感器，其廣泛應用于各種(zhǒng)工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能(néng)建築、生産自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道(dào)等衆多行業，下面(miàn)就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。 

1、應變片壓力傳感器原理與應用 
    力學(xué)傳感器的種(zhǒng)類繁多，如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等。但應用最爲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(hǎo)的線性特性。下面(miàn)我們主要介紹這(zhè)類傳感器。 

    在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這(zhè)種(zhǒng)元件。電阻應變片是一種(zhǒng)將(jiāng)被(bèi)測件上的應變變化轉換成(chéng)爲一種(zhǒng)電信号的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成(chéng)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片兩(liǎng)種(zhǒng)。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩(liǎng)種(zhǒng)。通常是將(jiāng)應變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在産生力學(xué)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(qǐ)産生形變，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(zhè)種(zhǒng)應變片在受力時産生的阻值變化通常較小，一般這(zhè)種(zhǒng)應變片都(dōu)組成(chéng)應變電橋，并通過(guò)後(hòu)續的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。

金屬電阻應變片的内部結構 

    電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成(chéng)。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值範圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發(fā)熱緻使本身的溫度過(guò)高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過(guò)于複雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁幹擾能(néng)力較差。一般均爲幾十歐至幾十千歐左右。 

電阻應變片的工作原理 

   金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻随機械形變而産生阻值變化的現象，俗稱爲電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示： 

式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω·cm2/m） 
S——導體的截面(miàn)積（cm2） 
L——導體的長(cháng)度（m） 

     我們以金屬絲應變電阻爲例，當金屬絲受外力作用時，其長(cháng)度和截面(miàn)積都(dōu)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(cháng)時，其長(cháng)度增加，而截面(miàn)積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長(cháng)度減小而截面(miàn)增加，電阻值則會減小。隻要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩(liǎng)端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。 

2、陶瓷壓力傳感器原理及應用 

    抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面(miàn)，使膜片産生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面(miàn)，連接成(chéng)一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋産生一個與壓力成(chéng)正比的高度線性、與激勵電壓也成(chéng)正比的電壓信号，标準的信号根據壓力量程的不同标定爲2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過(guò)激光标定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數介質直接接觸。 

    陶瓷是一種(zhǒng)公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度範圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信号強，長(cháng)期穩定性好(hǎo)。高特性，低價格的陶瓷傳感器將(jiāng)是壓力傳感器的發(fā)展方向(xiàng)，在歐美國(guó)家有全面(miàn)替代其它類型傳感器的趨勢，在中國(guó)也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散矽壓力傳感器。 

3、擴散矽壓力傳感器原理及應用 

工作原理 

     被(bèi)測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不鏽鋼或陶瓷），使膜片産生與介質壓力成(chéng)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(zhè)一變化，并轉換輸出一個對(duì)應于這(zhè)一壓力的标準測量信号。 

4、藍寶石壓力傳感器原理與應用 

利用應變電阻式工作原理，采用矽-藍寶石作爲半導體敏感元件，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(chéng)，不會發(fā)生滞後(hòu)、疲勞和蠕變現象；藍寶石比矽要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著(zhe)非常好(hǎo)的彈性和絕緣特性（1000 OC以内），因此，利用矽-藍寶石制造的半導體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著(zhe)很好(hǎo)的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，矽-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重複性，确保了高成(chéng)品率。 

用矽-藍寶石半導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(hǎo)、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(chéng)：钛合金測量膜片和钛合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被(bèi)焊接在钛合金測量膜片上。被(bèi)測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉杆堅固的連接在一起(qǐ)）。在壓力的作用下，钛合金接收膜片産生形變，該形變被(bèi)矽-藍寶石敏感元件感知後(hòu)，其電橋輸出會發(fā)生變化，變化的幅度與被(bèi)測壓力成(chéng)正比。 

    傳感器的電路能(néng)夠保證應變電橋電路的供電，并將(jiāng)應變電橋的失衡信号轉換爲統一的電信号輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。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(qǐ)，起(qǐ)到了彈性元件的作用，將(jiāng)被(bèi)測壓力轉換爲應變片形變，從而達到壓力測量的目的。 

5、壓電壓力傳感器原理與應用 

     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（二氧化矽）是一種(zhǒng)天然晶體，壓電效應就是在這(zhè)種(zhǒng)晶體中發(fā)現的，在一定的溫度範圍之内，壓電性質一直存在，但溫度超過(guò)這(zhè)個範圍之後(hòu)，壓電性質完全消失（這(zhè)個高溫就是所謂的“居裡(lǐ)點”）。由于随著(zhe)應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），所以石英逐漸被(bèi)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，但是它隻能(néng)在室溫和濕度比較低的環境下才能(néng)夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能(néng)夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。 

    現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括钛酸鋇壓電陶瓷、PZT、铌酸鹽系壓電陶瓷、铌鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 

    壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能(néng)用于靜态測量，因爲經(jīng)過(guò)外力作用後(hòu)的電荷，隻有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這(zhè)樣(yàng)的，所以這(zhè)決定了壓電傳感器隻能(néng)夠測量動态的應力。 

     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(zhǒng)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(cháng)等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建築的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，特别是航空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)動機内部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事(shì)工業，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。