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压力传感器的原理及应用

压力传感器在工业实践中最常用,涵盖水电、铁路运输、智能建筑、生产自控、航空航天、军事工业、石油化工、油井、电力、船舶、机械、机床和管道等多行业。

1.应变片压力传感器的原理与应用   

力学传感器,如电阻变压器压力传感器、半导体变压器压力传感器、压电压力传感器、电容压力传感器、共振压力传感器和电容加速度传感器等种类繁多。但是,最广泛使用的压阻式压力传感器价格极低,精度高,线性特性也较好。

我们要介绍的就是这种传感器。首先我们要了解电阻应变片。 导体在承受外部拉力或压力时会发生机械变形,机械变形会引起导体阻值的变化,当导体材料产生因变形而变化的导体阻值时,称为电阻应变效应。 电阻应变片是一种敏感装置,用于将所测件的应变变化转换为电信号。 这是压力传感器的主要部件之一。 电阻应变片最常用的应用是金属电阻应变片和半导体应变片.。

金属应变片的基本原理是电阻应变效应,即当导体产生机械变形时,导体的强度值会发生变化.。 金属电阻应变片有两种类型:丝变换器和金属箔变换器。 一般而言,反应板是在机械变形的基础上通过特殊粘接和紧密粘接而粘上的. 当阵列强度发生变化时,电阻应变片也会一起产生变形,因此应变片的阻值会发生变化,从而增加到电阻的电压也会发生变化。 这些应变片在受力时产生的电阻变化通常很小,通常形成变形的电桥,由后面仪表放大器放大,然后传递到处理电路显示(通常是a / d转换和处理器)或执行机构。   金属电阻板由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成

根据不同的使用方式,电阻应变片的阻值可以设计不同阻值,但电阻取值范围必须注意:电阻值太小,输入电流小所需驱动电流太大,同时温度变化面的热量太高,用于不同的环境,变化面的阻力值过大,输出零点漂移明显,零调节电路过于复杂。 而且阻力太大,阻抗太高,抵御外部电磁干扰的能力薄弱.。 一般电阻应变片的阻值约为几十欧至几十千欧左右.

金属电阻应变片的工作原理是,吸附在基本材料上的应变电阻随机械变形(通常称为电阻应变效应)而变化的阻值。 金属导体的电阻值可以表示为:

R=ρ*L/S

P-金属导体电阻率Ωcm2/m

s-导体截面(cm2)

l-导线长度

当外力作用时,导体的电阻率ρ、长度l和截面区域s会发生变更,从而导致电阻值R的变化. 通过检测电阻值的变化,可以检测外力的大小

以金属丝应变电阻为例. 当金属丝承受外力时,其长度和截面会发生变化. 很容易看出它的电阻值变化. 如果金属线材受外力拉伸,其长度会增加,且截面会减小,则阻值会增加。当线材被外力压缩时,长度会减小,截面增大,阻值也会减小。只要测量增加到阻值的变化(通常是在电阻两端测量的应力),就可以得到变形金属丝的变形情况。 由于应力与变形成比例,因此变形与电阻变化率成比例,即应力与电阻变化成比例。弹性原点可将物理量(例如位移、压力和振动)转换为可变的应力和测量。

2.陶瓷压力传感器的原理与应用

耐腐蚀陶瓷压力传感器不由输液体传递,压力直接作用于陶瓷膜之前的表面,使陶瓷膜产生轻微变形,厚膜电阻印在陶瓷膜背面,并连接到电桥(封闭桥梁),原因是受压力的影响. 标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3 mV/V等,应变式传感器兼容。通过激光校准,传感器具有较高的温度和时间稳定性,其自身的温度补偿为0~70℃,能够直接接触绝大多数介质。

陶瓷是公认的耐腐蚀、耐磨性、抗冲击性和抗振动性材料。 陶瓷的热稳定性特性和厚膜电阻可使其工作温度达到-40~135,并且测量精度高且稳定性高。 电绝缘度大于2kv,输出信号强,长期稳定良好。 高性能低成本陶瓷传感器将是压力传感器发展的方向,欧美有一种完全取代其他类型传感器的趋势,中国越来越多的用户使用陶瓷传感器取代硅扩散压力传感器。

3.硅电阻压力传感器的原理与应用

压阻式压力传感器的测量原理与金属膜传感器相同,只是有不同的材料和不同制造工艺。

例如,硅扩散压力传感器由硅玻璃和硅膜组成,采用集成电路方法,建立四个相同的电阻,分布在硅膜上,形成变形电桥。膜片两边有两个压力室,低压室与大气相连接,高压室与检测到的系统相连接。 当两边有压力差时膜上有作用压力,实测介质压力直接作用于传感器膜(不锈钢或陶瓷),膜上点的压力分布与金属膜传感器相同,因此膜产生与介质压力成正比的微位移,传感器电阻值变化,且检测到变化。压阻式传感器的灵敏度是金属变形板的50至100倍,有时可以直接测量而无需放大。

压阻式传感器的优点包括频率响应快、体积小、能耗低、灵敏度高、精度高和缺少活动部件。 压力电阻传感器的缺点主要是温度特性差和工艺复杂.。 由于半导体元件对温度变化的敏感性,半导体变换传感器的应用受到很大限制。

 4. 蓝宝石压力传感器的原理与应用   

采用应变电阻工作原理,将硅片蓝宝石用作半导体敏感元件,具有无与伦比的测量特性。

蓝宝石由单个慢性绝缘部件组成,无迟延、疲劳或流动;蓝宝石比硅更坚固,更坚硬,不怕变形;蓝宝石具有非常好的弹性和绝缘性能(高达1000 c ),因此硅蓝宝石制成的半导体敏感部件对温度变化不敏感,即使在高温下也具有良好的工作特性;蓝宝石具有很强的抗辐射性;此外,硅蓝宝石敏感半导体没有p - n漂移,基本上简化了炼钢过程提高了重复性并保证高质量。

采用硅半导体敏感元件(蓝宝石)制造的压力传感器和变送器可以在最苛刻的工作条件下正常工作,可靠性高、精度高、温度误差小、性价比高。 表压压力传感器和变送器由双膜片组成:钛合金测量膜和钛合金接收膜。 印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片,焊接在钛合金测量膜上。测量的压力传递到接收隔膜(接收隔膜和测量隔膜通过固体拉杆连接)。压力作用下钛合金接收膜产生变形,当它受硅薄膜敏感元件-蓝宝石、电桥输出变化的影响,变化幅度与实测压力成正比。传感器电路可保证变形电桥电路的供电,并将变形电桥不平衡信号转换为均匀电信号输出(4-20ma或0-5v)。在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片连接到陶瓷基玻璃焊接料(起到弹性元件作用),将测量的压力转换为应变片的形变以达到压力测量目标。

5.压电压力传感器的原理与应用  

压电式传感器是一种典型的发电传感器,其工作原理基于电介质的压电效应,在外力作用下在电解质表面产生电负荷,从而实现非电测量。压电传感器是一种有源传感器,也称为自发电式传感器或电势传感器,用于测量各种动力、机械冲击和振动,广泛应用于声学、医疗、机械和导航领域。

   压电传感器中使用的主要压电材料是石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。 其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,在该晶体中检测到压电效应并在一定温度范围内持续存在压电性质,但温度超过该范围后,压电性质就会完全消失(这种高温称为“居里点”)。石英逐渐被其他压电晶体所取代,因为电场随应力的变化而稍有变化(即压电系数相对较低)。酒石酸钾钠具有较高的电解液敏感性和电解液系数,但只能在环境温度和湿度较低的环境中使用。磷酸二氢胺是一种能够经受高温和足够湿度的人造晶体,已被广泛使用。压电效应也适用于多晶体,例如现有的压电陶瓷,包括钛压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷以及铌镁酸铅压电陶瓷。 压电效应是压电传感器的主要工作原理,不能用于静态测量,因为只有当电路具有无限的输入阻抗时,才会保留外力作用后的电荷。这种情况并不存在,因此决定了压电传感器只能测量动态应力。 压电传感器主要用于测量加速度、压力和力。 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的结构简单,体积小,重量轻,寿命长。 压电式加速传感器被广泛用于测量飞机、汽车、船只、桥梁和撞击,特别是在航空和航天领域。 压电传感器还可用于测量发动机内部燃烧压力和空置率。 它还可用于军事工业,例如测量火器的爆炸效果和冲击波压力的变化。它可以用来测量大压力和小压力.。压电式传感器也广泛用于生物医学测量,例如用压电式传感器制造的心室导管式微音器,因为动态压力测量非常普遍,因此压电式传感器被广泛应用。

 


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