壓力傳感器分類和選擇

1、壓力傳感器概述壓力傳感器概述 王慶華n一、引言一、引言n二、壓力傳感器的分類二、壓力傳感器的分類n 1.11.1應(yīng)變片壓力傳感器應(yīng)變片壓力傳感器 n 1.21.2陶瓷壓力傳感器陶瓷壓力傳感器 n 1.31.3擴(kuò)散硅壓力傳感器擴(kuò)散硅壓力傳感器 n 1.41.4藍(lán)寶石壓力傳感器藍(lán)寶石壓力傳感器 n 1.51.5壓電壓力傳感器壓電壓力傳感器 n三、各種壓力傳感器的工作原理三、各種壓力傳感器的工作原理n 2.12.1應(yīng)變片壓力傳感器的工作原理應(yīng)變片壓力傳感器的工作原理n 2.22.2陶瓷壓力傳感器的工作原理陶瓷壓力傳感器的工作原理n 2.32.3擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理擴(kuò)散硅壓力傳感器的工作原理n

2、2.42.4藍(lán)寶石壓力傳感器的工作原理藍(lán)寶石壓力傳感器的工作原理n 2.52.5壓電壓力傳感器的工作原理壓電壓力傳感器的工作原理n一、引言n 壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。 n1、應(yīng)變片壓力傳感器 n2、陶瓷壓力傳感器 n3、擴(kuò)散硅壓力傳感器 n4、藍(lán)寶石壓力傳感器 n5、壓電壓力傳感器n 1.1應(yīng)變片壓力傳感器 n 力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)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

3、傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)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。下面我們主要介紹這類傳感器。 n 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。n 電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)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(yīng)

4、變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)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(zhuǎn)換和 CPU ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 n1.2陶瓷壓力傳感器 n 陶瓷是一種公認(rèn)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(dá) -40 135 ，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度 2kV ，輸出信號強(qiáng)，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(kuò)散硅壓力傳感器。 n1.3擴(kuò)散硅壓力傳感器 n 擴(kuò)

5、散硅壓力傳感器是結(jié)合重負(fù)荷，溫差影響極少的strain gauge，預(yù)先設(shè)定溫差補(bǔ)償?shù)膒si/bar壓力傳感器，提供最理想解決一些困難的油壓或氣壓的傳感問題。壓力范圍有真空至400bar。由于多種不同原因，壓力系統(tǒng)往往出現(xiàn)突然超出正常使用壓力，而導(dǎo)致壓力傳感器損壞，堅固耐用的psi/bar更提供4倍的超壓力保護(hù)（1%零位移動），10倍超壓的防爆裂保護(hù)及抗震動的影響。 壽命長于100百萬次 高抵御震蕩能力 全不銹鋼接觸件 高安全性，免受RFI、EMI及靜電影響 不受突變壓力影響（如水擊、常變泵壓及壓力的猛動） 適合用于溫度極差的環(huán)境 不需要定期調(diào)節(jié) 適合艱巨的使用環(huán)境，如運(yùn)輸工具或油壓系統(tǒng) 可用

6、于腐蝕性介質(zhì) 符合高穩(wěn)定性及長時間使用要求 符合CE標(biāo)準(zhǔn)，可用于接近高電壓或有無線電影響的環(huán)境下性能 n1.4藍(lán)寶石壓力傳感器n 藍(lán)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(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（ 1000 OC 以內(nèi)），因此，利用硅 - 藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)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(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅 - 藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無 p-n 漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。 用硅 - 藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣

7、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。 n1.5壓電壓力傳感器n 壓電傳感器主要應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jī)、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，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(jī)內(nèi)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。 n2.1 應(yīng)變片壓力

8、傳感器原理n 在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認(rèn)識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。 n 金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。n 通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)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。n 這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A

9、/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 n金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) n 如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計，但電阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大，同時應(yīng)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(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)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。n電阻應(yīng)變片的工作原理 n金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。n我們

10、以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(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時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情況。n2.2 陶瓷壓力傳感器原理n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(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

11、壓信號，標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償070，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。 n 陶瓷是一種公認(rèn)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(dá)-40135，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度2kV，輸出信號強(qiáng)，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(kuò)散硅壓力傳感器。 n2.3 擴(kuò)散硅壓力

12、傳感器原理工作原理n n 工作原理被測介質(zhì)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(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(biāo)準(zhǔn)測量信號。 n2.4 藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用 n利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。 n藍(lán)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(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)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

13、特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。 n用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)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、溫度誤差極小、性價比高。 n 表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)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(chǎn)生形變，該形變被硅-藍(lán)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

14、測壓力成正比。 n 傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍(lán)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(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力測量的目的。n2.5 壓電壓力傳感器原理n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(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)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(shù)，但是它只