壓力傳感器原理

1、目錄 1概述 2工作原理 1. 2.1電阻應(yīng)變片 2. 2.2陶瓷型 3選型要點(diǎn) 4常見故障 5四個(gè)無法避免的誤差 6抗干擾措施 7八大發(fā)展趨勢(shì) 將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的傳感器。通常把壓力測(cè)量儀表中的電測(cè)式儀表稱為壓力傳感器。 壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計(jì)）組成。彈性敏感元件的作用是 使被測(cè)壓力作用于某個(gè)面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計(jì)轉(zhuǎn)換為與 壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。有時(shí)把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種 工業(yè)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)。 壓力

2、傳感器-概述 力學(xué)傳感器的種類繁多，但常用的壓力傳感器有電阻應(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、諧振式壓力傳感器及 電容式加速度傳感器，光纖壓力傳感器等。應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極 低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。 壓力傳感器是使用最為廣泛的一種傳感器。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以 彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量輕，不能提供電學(xué)輸出。隨著半導(dǎo)體技 術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生。其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著 MEMMEM皺術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著

3、微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性 壓力傳感器-工作原理 壓阻式應(yīng)變壓力傳感器的主要由電阻應(yīng)變片按照惠斯通電橋原理組成。 電阻應(yīng)變片 一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)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 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(shí)，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)變片在受力時(shí)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

4、器進(jìn)行放大， 再傳輸給處理電路 （通常是 A/DA/D轉(zhuǎn)換和 CPUCPU 顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖所示，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(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻 的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)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(diǎn)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。 惠斯通原理 片兩種。 電阻應(yīng)變片內(nèi)部結(jié)構(gòu) 惠斯通電橋是采用比較法的思想對(duì)未知電阻

5、進(jìn)行測(cè)量的。測(cè)量時(shí)選擇一定的比例臂數(shù)值（R1/R2R1/R2）并將電橋量的調(diào)整平衡，就可以將待測(cè)電阻（RxRx）與標(biāo) 準(zhǔn)電阻（R0R0）進(jìn)行比較，從而確定待測(cè)電阻的阻值?？垢g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(gè)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(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo) 定為 2.0/3.0/3.3mV/V2.0/3.0/3.3mV/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(shí)間穩(wěn)定

6、性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償 0 070C70C, ,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。 陶瓷型 瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)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)- -4040135C,135C,而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電 氣絕緣程度2kV,2kV,輸出信號(hào)強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)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(shì)，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。 被測(cè)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

7、，和用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。 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(jì)量特性。藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)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（10000c10000c 以內(nèi)），因此，利用 硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)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 p- -n 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

8、 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(jià)比高。 表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測(cè)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(cè)量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接收膜 片上（接收膜片與測(cè)量膜片之間用拉桿堅(jiān)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(huì)發(fā)生變化，變化的幅度與被測(cè)壓力成正比。 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(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào) 輸出（0 0- -5,45,4- -20mA20mA 或

9、0 0- -5V5V）。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(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力 測(cè)量的目的。 壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用 后的電荷，只有在回 路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。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(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微?。ㄒ簿驼f

10、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)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬 于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在壓電效應(yīng)也 應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋼壓電陶瓷、PZTPZT、鋸酸鹽系壓電陶瓷、 鋁鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。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(diǎn)。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(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空

11、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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測(cè)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(cè)量大的壓力， 也可以用來測(cè)量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制 成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。 壓力傳感器-選型要點(diǎn) 陶瓷型壓力傳感器 在選擇合適的壓力傳感器過程中，了解介質(zhì)的特點(diǎn)尤為重要。 介質(zhì)的腐蝕性如何，導(dǎo)電性如何。根據(jù)介質(zhì)的這些屬性選用相應(yīng)類型的傳感器。 介質(zhì)溫度范圍如何，一是介質(zhì)的經(jīng)常性的溫

12、度范圍為多少，根據(jù)此信息選擇補(bǔ)償溫度與 其范圍一致的傳感器，二是介質(zhì)的最高溫度范圍，根據(jù)此信息選擇使用溫度范圍一致的傳感器。 若以上兩點(diǎn)如果選擇不正確，極有可能損害傳感器甚至引起事故。 壓力傳感器-常見故障 壓力傳感器容易出現(xiàn)的故障主要有以下幾種： 第一種是壓力上去，變送器輸也上不去。此種情況，先應(yīng)檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住，如果確認(rèn)不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進(jìn)行簡單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有輸出，若無變化則傳感器已損壞，可能是儀表損壞或者整個(gè) 系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)的問題； 第二種是加壓變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去，很有可能是

13、壓力傳感器密封圈的問題。常見的是由于密封圈規(guī)格原因，傳感器擰緊之后密封 圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，加壓時(shí)壓力介質(zhì)進(jìn)不去，但在壓力大時(shí)突然沖開 密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的最佳方法是將傳感器卸下，直接察看 零位是否正常，若零位正?？筛鼡Q密封圈再試； 第三種是變送器輸出信號(hào)不穩(wěn)。這種故障有肯是壓力源的問題。壓力源本身是一個(gè)不穩(wěn)定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強(qiáng)、傳感器本身振動(dòng)很厲害和傳感器故障；第四種是變送器與指針式壓力表對(duì)照偏差大。出現(xiàn)偏差是正常的現(xiàn)象，確認(rèn)正常的偏差范圍即可； 最后一種易出現(xiàn)的故障是微差壓變送器安裝位置對(duì)零位輸出的影響。微差壓變送

14、器由于 其測(cè)量范圍很小，變送器中傳感元件會(huì)影響到微差壓變送器的輸出。安裝時(shí)應(yīng)使變送器的壓 力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定后調(diào)整變送器零位到標(biāo)準(zhǔn)值。 壓力傳感器-四個(gè)無法避免的誤差 在選擇壓力傳感器的時(shí)候我們要考慮他的綜合精度，而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響 呢？其實(shí)造成傳感器誤差的因素有很多，下面我們注意說四個(gè)無法避免的誤差，這是傳感器的初始誤差。 首先的偏移量誤差：由于壓力傳感器在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定，因此變換器擴(kuò)散 和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。 其次是靈敏度誤差：產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)。 如果靈敏度低

15、于典型值， 那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過程的變化。 第三是線性誤差： 這是一個(gè)對(duì)壓力傳感器初始誤差影響較小的因素， 該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性，但對(duì)于帶放大器的傳感器，還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線稱重傳感器。 最后是滯后誤差：在大多數(shù)情形中，壓力傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計(jì)，因?yàn)楣杵?有很高的機(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。 壓力傳感器的這個(gè)四個(gè)誤差是無法避免的，我們只能選擇高精度的生產(chǎn)設(shè)備，利用高新技術(shù) 來降低這些誤差，還可以在出廠的時(shí)候進(jìn)行一點(diǎn)的誤差校準(zhǔn)，盡最大的可能來降低誤差以滿

16、 足客戶的需要。1 壓力傳感器-抗干擾措施 壓力傳感器直接接觸或接近被測(cè)對(duì)象而獲取信息。壓力傳感器與被測(cè)對(duì)象同時(shí)都處于被干擾 的環(huán)境中，不可避免地受到外界的干擾。尤其是壓電式壓力傳感器和電容式壓力傳感器很容易受干擾。壓力傳感器抗干擾措施一般從結(jié)構(gòu)上下手。智能壓力傳感器還可以從軟件上著手 解決。 改進(jìn)壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，在一定程度上可避免干擾的引入，可有如下途徑：將信號(hào)處理 電路與傳感器的敏感元件做成一個(gè)整體，即一體化。這樣，需傳輸?shù)男盘?hào)增強(qiáng)，提高了抗干 擾能力。同時(shí)，因?yàn)槭且惑w化的，也就減少了干擾的引入；集成化傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于提高抗干擾能力；智能化傳感器可以從多方面在軟件

17、上采取抗干擾措施，如數(shù)字濾波、定時(shí)自校、特性補(bǔ)償?shù)却胧?壓力傳感器一旦抗干擾性差容易受外界干擾，那么它的價(jià)值就打了折扣，其應(yīng)用范圍受 到很大的限制。壓力傳感器是傳感器中應(yīng)用最多的傳感器之一，其廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以 及服務(wù)業(yè)。在各種環(huán)境下都有應(yīng)用，所以抗干擾性必須要相當(dāng)可靠。目前壓力傳感器已能適 應(yīng)很多環(huán)境在使用但是在有的環(huán)境中壓力傳感器的抗干擾性還是不夠好，我們必須從多角度， 結(jié)合高新科技來使得壓力傳感器的抗干擾性進(jìn)一步提高。2 壓力傳感器-八大發(fā)展趨勢(shì) 一、壓力傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式：要加速形成從傳感器研究開發(fā)到大生產(chǎn)一條龍的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，走自主創(chuàng)新和國際合作相結(jié)合的跨越式發(fā)展道路，使我國成為世界傳感器的生 產(chǎn)大國。 二、傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜，尤其要填補(bǔ)“空白”品種。 三、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模（年生產(chǎn)能力）向規(guī)模經(jīng)濟(jì)或適宜規(guī)模經(jīng)濟(jì)發(fā)展，量大面廣的通用傳 感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年億只計(jì)，一些中檔傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn) 10001000 萬只（含以上） 計(jì)；而一些高檔傳感器和專用壓力傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)幾十萬只幾百萬只計(jì)。 四、生產(chǎn)格局向?qū)I(yè)化發(fā)展。專業(yè)化生產(chǎn)的內(nèi)涵為：1 1.生產(chǎn)傳感器門類少而精；2 2.專門 生產(chǎn)某一應(yīng)用領(lǐng)域需要的某一類傳感器系列產(chǎn)品，以獲得較高的市場(chǎng)占有率；3.3.各傳感器企 業(yè)的專業(yè)