壓力傳感器完整版本VIP

PAGE1壓阻式壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、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)。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(jià)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。工作原理壓阻式傳感器是將輸入的機(jī)械量應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變換元件。壓阻變換器的輸入量為應(yīng)變，輸出量為電阻值的相對(duì)變化。固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強(qiáng)。根據(jù)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)且其中是應(yīng)力();是壓阻系數(shù),;E是彈性模量,,所以電阻的相對(duì)變化為.要測(cè)量其他物理量如壓力、力、加速度等，就需要先將應(yīng)變片貼在相應(yīng)的彈性元件上，這些物理量被轉(zhuǎn)換為彈性元件的應(yīng)變，再經(jīng)應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻輸出量。工作原理圖如下：目前最常用的硅壓阻式壓力傳感器就是利用單晶硅的壓阻效應(yīng)制成的。在硅膜片特定方向上擴(kuò)散4個(gè)等值的半導(dǎo)體電阻并連接成惠斯通電橋，如圖所示：硅壓阻式壓力傳感器都由3個(gè)基本部分組成①基體直接承受被測(cè)應(yīng)力。②波紋膜片將被測(cè)應(yīng)力傳遞到芯片。③芯片檢測(cè)被測(cè)應(yīng)力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導(dǎo)體制造技術(shù)在確定晶向制作相同的4個(gè)感壓電阻，將他們連成惠斯通電橋構(gòu)成了基本的壓力敏感元件。結(jié)構(gòu)圖如下：測(cè)量物理量及范圍壓阻式壓力傳感器主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷參數(shù)。工作量程隨具體膜片結(jié)構(gòu)不同差異較大，常用傳感器的量程為0-100kPa至0-80MP，工作溫度為-55℃-125℃，精度為0.5%-0.1%。具體應(yīng)用壓阻式傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，局部壓力和整個(gè)壓力場(chǎng)的測(cè)量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測(cè)量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中心壓力的測(cè)量中，使用專門設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05％的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。單個(gè)傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22％。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測(cè)工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測(cè)量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測(cè)量、真空測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及諸如測(cè)量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測(cè)量。此外，在油井壓力測(cè)量、隨鉆測(cè)向和測(cè)位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測(cè)以及流量和液位測(cè)量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。生產(chǎn)廠家、價(jià)格壓阻式壓力傳感器主要生產(chǎn)廠家如下：重慶川儀儀器儀表西安西儀儀表有限公司天康儀表有限公司江蘇蘇科儀表自動(dòng)化上海自動(dòng)化儀表三廠北京中儀華世技術(shù)有限江蘇中儀儀表有限公司聯(lián)泰儀器儀表有限公司廣東萬山儀表系統(tǒng)有限上海虹江儀表廠價(jià)格大多在100至700元之間，部分高精尖產(chǎn)品則達(dá)到數(shù)千元。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：頻率響應(yīng)高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達(dá)1.5兆赫以上),適于動(dòng)態(tài)測(cè)量;②體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達(dá)0.25毫米），適于微型化；③精度高，可達(dá)0.1～0.01％；④靈敏高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器；⑤無活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。缺點(diǎn)是：①溫度特性差，由于壓阻式壓力傳感器是用半導(dǎo)體材料制作的，受溫度影響較大，因此，在溫度變化大的環(huán)境中使用時(shí)，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。②工藝復(fù)雜，對(duì)研制條件要求高而嚴(yán)格，尤其是擴(kuò)散雜質(zhì)、燒結(jié)、封裝工藝等比其他傳感器要復(fù)雜的多，因而成本也相對(duì)要高。改進(jìn)措施在傳感器電源方面我們有兩個(gè)選擇，可以用恒壓源供電也可用恒流源供電，但恒壓源供電與恒流源供電相比存在環(huán)境溫度影響不能消除的問題。如圖所示：假設(shè)四個(gè)擴(kuò)散電阻的起始阻值都相等且為R,當(dāng)有應(yīng)力時(shí),兩個(gè)電阻阻值增加,增量為另兩個(gè)電阻阻值減小,減小量為,由于溫度影響,使每小電阻值都有的變化量,因此電橋的輸出恒壓時(shí)可以看出輸出電壓與溫度有關(guān)且為非線性,所以用恒壓源供電時(shí),不能消除溫度的影響.恒流時(shí)可以看出輸出電壓與溫度無關(guān),這就消除了溫度對(duì)傳感器輸出信號(hào)的影響.所以可采用如下圖所示的恒流源供電電路，它采用雙電源供電以避免共模干擾。電流,其穩(wěn)定度取決于基準(zhǔn)電壓源1403和電阻R的穩(wěn)定度?！緟?/p>