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(cè)流體或固體的壓力，并能進(jìn)行信號(hào)遠(yuǎn)傳。它是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，常常作為一種自動(dòng)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(jī)床和公用設(shè)備等行業(yè)。 壓力傳感器分類(lèi) 壓力傳感器的類(lèi)型非常多，目前應(yīng)用比較常見(jiàn)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(dāng)壓敏電阻受壓后產(chǎn)生電阻變化，通過(guò)放大器放大并采用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定，即可進(jìn)行壓力檢測(cè)。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(biāo)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(lái)，就能確保壓阻式壓力傳感器過(guò)載能力強(qiáng)和抗沖擊壓力強(qiáng)。 該類(lèi)傳感器適合測(cè)量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時(shí)，線性很好，精度也很高，并適合測(cè)量與應(yīng)變材料兼容的各類(lèi)介質(zhì)。 陶瓷壓阻 在結(jié)構(gòu)上，該類(lèi)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(guò)載能力較應(yīng)變片類(lèi)低一些，抗沖擊壓力較差，但靈敏度較高，適合測(cè)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(méi)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)，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(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)-40135，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。 擴(kuò)散硅 與上述兩種結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)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(cè)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(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)。因此擴(kuò)散硅傳感器靈敏度和精度最高，適合測(cè)量1kpa到40Mpa的壓力范圍。一般情況下，擴(kuò)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(cè)量干凈的氣體，隔離膜片為軟性膜片和剛性膜片，適合測(cè)量各種類(lèi)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(dāng)晶體沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生

5、出電的效應(yīng)。 圖3 擴(kuò)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(cè)量中，比如在飛機(jī)、汽車(chē)、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（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(lái)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?？傊?，它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)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(xué)測(cè)

6、量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電壓力傳感器制成的，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(gè)步驟進(jìn)行。 熟悉測(cè)量壓力類(lèi)型 先確定系統(tǒng)中要確認(rèn)測(cè)量壓力的最大值。一般而言，需要選擇一個(gè)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(cè)量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動(dòng)，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(biāo)定最大值會(huì)縮短傳感器的壽命。所以在選擇壓力傳感器時(shí)，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(lèi)型 圖4 測(cè)量飛機(jī)機(jī)身振動(dòng)的壓電傳感器黏性液體會(huì)

7、堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會(huì)不會(huì)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(kuò)散硅壓力傳感器選擇時(shí)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(diǎn)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(gè)壓力傳感器會(huì)標(biāo)定兩個(gè)溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補(bǔ)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(shí)候的溫度范圍，在超出溫度補(bǔ)償范圍時(shí)，可能會(huì)達(dá)不到其應(yīng)用的性能指標(biāo)。溫度補(bǔ)償范圍是一個(gè)比操作溫度范圍小的典型范圍。 弄清楚輸出信號(hào) 壓力傳感器有mV 、V、mA及頻率輸出和數(shù)字輸出等多種類(lèi)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(hào)