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壓力傳感器的種類與工作原理

發(fā)布時(shí)間:2020-01-09 09:45人氣:

壓力傳感器的應(yīng)用非常廣泛,壓力傳感器也分很多種,常見的有哪些種類呢?目前市面上常見的有以下幾種壓力傳感器:
應(yīng)變式壓力傳感器
電阻應(yīng)變片是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上,當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時(shí),會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化,進(jìn)而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出,這就是電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理。
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(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)。
滄正應(yīng)變式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形,電場去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。
壓電式壓力傳感器的種類和型號繁多,按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上,由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件,再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關(guān)系的電信號。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動態(tài)特性好、耐高溫等。現(xiàn)代測量技術(shù)對傳感器的性能出越來越高的要求。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量,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。實(shí)際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。
陶瓷壓力傳感器
陶瓷壓力傳感器基于壓阻效應(yīng),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(gè)惠斯通電橋,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、與激勵電壓也成正比的電壓信號,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。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。
滄正陶瓷壓力傳感器
擴(kuò)散硅壓力傳感器
擴(kuò)散硅壓力傳感器工作原理也是基于壓阻效應(yīng),利用壓阻效應(yīng)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,利用電子線路檢測這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。
硅應(yīng)變電阻的靈敏因子比金屬應(yīng)變計(jì)高50~100倍,故相應(yīng)的傳感器的靈敏度就很高,一般量程輸出為100mv左右。因此對接口電路無特殊要求,使用比較方便。
由于傳感器的感受、敏感轉(zhuǎn)換和檢測三部分由同一個(gè)元件實(shí)現(xiàn),沒有中間轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),重復(fù)性和遲滯誤差較小。由于單晶硅本身剛度很大,變形很小,保證了良好的線性。
由于工作單性形變低至微應(yīng)變數(shù)量級,彈性芯片最大位移在亞微米數(shù)量級,因而無磨損,無疲勞,無老化,壽命長達(dá)1×103壓力循環(huán),性能穩(wěn)定,可靠性高。
滄正擴(kuò)散硅壓力傳感器
電容式壓力傳感器
電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。特點(diǎn)是,低的輸入力和侏儒能量,高動態(tài)響應(yīng),小的自然效應(yīng),環(huán)境適應(yīng)性好。
它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極,當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化,通過測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器,可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。
電感式壓力傳感器
電感式壓力傳感器是用電感線圈電感量變化來測量壓力的儀表。
常見的有氣隙式和差動變壓器式兩種結(jié)構(gòu)形式。氣隙式的工作原理是被測壓力作用在膜片上使之產(chǎn)生位移,引起差動電感線圈的磁路磁阻發(fā)生變化,這時(shí)膜片距磁心的氣隙一邊增加,另一邊減少,電感量則一邊減少.另一邊增加,由此構(gòu)成電感差動變化,通過電感組成的電橋輸出一個(gè)與被測壓力相對應(yīng)的交流電壓。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),適宜在有振動或沖擊的環(huán)境中
差動變壓器式的工作原理是被側(cè)壓力作用在彈簧管_L,使之產(chǎn)生與壓力成正比的位移,同時(shí)帶動連接在彈簧管末端的鐵心移動,使差動變壓器的兩個(gè)對稱的和反向串接的次級繞組失去平衡,輸出一個(gè)與被測壓力成正比的電壓.也可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號與電動單元組合儀表聯(lián)用構(gòu)成自動控制系統(tǒng)。
藍(lán)寶石壓力傳感器
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。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。
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(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(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(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,其電橋輸出會發(fā)生變化,變化的幅度與被測壓力成正比。
以前就是幾類常見的壓力傳感器以及工作原理,更多壓力傳感器相關(guān)資料及資訊請見http://www.nfgnbcv.cn

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