壓力傳感器的應(yīng)用與選型

1、壓力傳感器的應(yīng)用與選型 圖1 壓力傳感器的惠司通電橋壓力傳感器主要用于檢測流體或固體的壓力，并能進行信號遠傳。它是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動化控制的前端元件，因此其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機床和公用設(shè)備等行業(yè)。 壓力傳感器分類 壓力傳感器的類型非常多，目前應(yīng)用比較常見的包括壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器兩種。 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的工作原理是當壓敏電阻受壓后產(chǎn)生電阻變化，通過放大器放大并采用標準壓力標定，即可進行壓力檢測。壓阻式壓力傳感器的性能主要取決于壓敏元件（即壓敏電阻）、放大電路，以及生產(chǎn)中的標定和老化工

2、藝。 應(yīng)變片 在目前的壓力傳感器封裝工藝中，通?？梢詫鹤枋矫舾行倔w做得體積小巧、靈敏度高，而且穩(wěn)定性好，并將壓敏電阻以惠司通電橋形式與應(yīng)變材料（通常為不銹鋼）結(jié)合在一起，（如圖1所示）這樣一來，就能確保壓阻式壓力傳感器過載能力強和抗沖擊壓力強。 該類傳感器適合測量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時，線性很好，精度也很高，并適合測量與應(yīng)變材料兼容的各類介質(zhì)。 陶瓷壓阻 在結(jié)構(gòu)上，該類傳感器將壓敏電阻以惠司通電橋形式與陶瓷燒結(jié)在一起（如圖2所示）。其過載能力較應(yīng)變片類低一些，抗沖擊壓力較差，但靈敏度較高，適合測量50Kpa以上的高量程范圍，而且耐腐蝕，溫度范圍也很寬。 抗腐蝕的陶瓷壓力傳

3、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(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋），由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)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，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。 圖2 陶瓷壓阻式壓力傳感器的組成陶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-40135，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2kV，輸出信號強，長期穩(wěn)定性好。 擴散硅 與上述兩種結(jié)構(gòu)不同，擴散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通電橋形式的壓敏電阻。被測介質(zhì)的壓力直

4、接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號。因此擴散硅傳感器靈敏度和精度最高，適合測量1kpa到40Mpa的壓力范圍。一般情況下，擴散硅傳感器分為帶隔離膜片和非隔離膜片兩種，非隔離膜片只能測量干凈的氣體，隔離膜片為軟性膜片和剛性膜片，適合測量各種類型的介質(zhì)。 壓電式壓力傳感器 工作原理 壓電式傳感器是利用某些晶體的極化效應(yīng)，即當晶體沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生

5、出電的效應(yīng)。 圖3 擴散硅壓力傳感器外觀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、磷酸二氫胺、鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，磷酸二氫胺屬于人造晶體，而壓電陶瓷等則屬于多晶體。 特殊應(yīng)用 壓電壓力傳感器主要應(yīng)用在壓力和力等的測量中，比如在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用（圖4所示），特別是航空和宇航領(lǐng)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(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量?？傊?，它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 壓電式壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學測

6、量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電壓力傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電壓力傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。 壓力傳感器的選型步驟 通常，壓力傳感器在使用中按照以下5個步驟進行。 熟悉測量壓力類型 先確定系統(tǒng)中要確認測量壓力的最大值。一般而言，需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。尤其是在水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出壓力傳感器的標定最大值會縮短傳感器的壽命。所以在選擇壓力傳感器時，要充分考慮壓力范圍、精度與其穩(wěn)定性。 了解壓力介質(zhì)類型 圖4 測量飛機機身振動的壓電傳感器黏性液體會

7、堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會不會破壞傳感器中與這些介質(zhì)直接接觸的材料。以上這些因素將決定是否選擇直接的隔離膜及直接與介質(zhì)接觸的材料，比如在擴散硅壓力傳感器選擇時需要注意隔離膜片。 掌握精度 決定壓力傳感器精度的有非線性、遲滯性、非重復(fù)性、零點偏置刻度、溫度等，但主要有非線性、遲滯性和非重復(fù)性三種。 確定溫度范圍 通常一個壓力傳感器會標定兩個溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補償?shù)姆秶?。正常操作溫度范圍是指壓力傳感器在工作狀態(tài)下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補償范圍時，可能會達不到其應(yīng)用的性能指標。溫度補償范圍是一個比操作溫度范圍小的典型范圍。 弄清楚輸出信號 壓力傳感器有mV 、V、mA及頻率輸出和數(shù)字輸出等多種類型，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括壓力傳感器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“電氣噪聲”或其他干擾信號