壓力傳感器完整版本

PAGE1壓阻式壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實踐、儀器儀表控制中最為常用的一種傳感器，并廣泛應用于各種工業(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、機床、管道等眾多行業(yè)。力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價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械量應變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的變換元件。壓阻變換器的輸入量為應變，輸出量為電阻值的相對變化。固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應稱為壓阻效應。半導體材料的這種效應特別強。根據(jù)半導體材料的壓阻效應且其中是應力();是壓阻系數(shù),;E是彈性模量,,所以電阻的相對變化為.要測量其他物理量如壓力、力、加速度等，就需要先將應變片貼在相應的彈性元件上，這些物理量被轉(zhuǎn)換為彈性元件的應變，再經(jīng)應變片將應變轉(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制成的。在硅膜片特定方向上擴散4個等值的半導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個基本部分組成①基體直接承受被測應力。②波紋膜片將被測應力傳遞到芯片。③芯片檢測被測應力。芯片是在硅彈性膜片上，用半導體制造技術在確定晶向制作相同的4個感壓電阻，將他們連成惠斯通電橋構成了基本的壓力敏感元件。結構圖如下：測量物理量及范圍壓阻式壓力傳感器主要用于測量壓力、加速度和載荷參數(shù)。工作量程隨具體膜片結構不同差異較大，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%。具體應用壓阻式傳感器廣泛地應用于航天、航空、航海、石油化工、動力機械、生物醫(yī)學工程、氣象、地質(zhì)、地震測量等各個領域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個關鍵參數(shù)，對靜態(tài)和動態(tài)壓力，局部壓力和整個壓力場的測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,用于測量直升飛機機翼的氣流壓力分布，測試發(fā)動機進氣口的動態(tài)畸變、葉柵的脈動壓力和機翼的抖動等。在飛機噴氣發(fā)動機中心壓力的測量中，使用專門設計的硅壓力傳感器,其工作溫度達500℃以上。在波音客機的大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)中采用了精度高達0.05％的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風洞模型試驗中，壓阻式傳感器能密集安裝在風洞進口處和發(fā)動機進氣管道模型中。單個傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達300千赫,非線性和滯后均為全量程的±0.22％。在生物醫(yī)學方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測工具。已制成擴散硅膜薄到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用于爆炸壓力和沖擊波的測量、真空測量、監(jiān)測和控制汽車發(fā)動機的性能以及諸如測量槍炮膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測量。此外，在油井壓力測量、隨鉆測向和測位地下密封電纜故障點的檢測以及流量和液位測量等方面都廣泛應用壓阻式傳感器。隨著微電子技術和計算機的進一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應用還將迅速發(fā)展。生產(chǎn)廠家、價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化上海自動化儀表三廠北京中儀華世技術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格大多在100至700元之間，部分高精尖產(chǎn)品則達到數(shù)千元。優(yōu)缺點優(yōu)點：頻率響應高(例如有的產(chǎn)品固有頻率達1.5兆赫以上),適于動態(tài)測量;②體積?。ɡ缬械漠a(chǎn)品外徑可達0.25毫米），適于微型化；③精度高，可達0.1～0.01％；④靈敏高,比金屬應變計高出很多倍，有些應用場合可不加放大器；⑤無活動部件，可靠性高，能工作于振動、沖擊、腐蝕、強干擾等惡劣環(huán)境。缺點是：①溫度特性差，由于壓阻式壓力傳感器是用半導體材料制作的，受溫度影響較大，因此，在溫度變化大的環(huán)境中使用時，必須進行溫度補償。②工藝復雜，對研制條件要求高而嚴格，尤其是擴散雜質(zhì)、燒結、封裝工藝等比其他傳感器要復雜的多，因而成本也相對要高。改進措施在傳感器電源方面我們有兩個選擇，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：假設四個擴散電阻的起始阻值都相等且為R,當有應力時,兩個電阻阻值增加,增量為另兩個電阻阻值減小,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可以看出輸出電壓與溫度有關且為非線性,所以用恒壓源供電時,不能消除溫度的影響.恒流時可以看出輸出電壓與溫度無關,這就消除了溫度對傳感器輸出信號的影響.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)定度取決于基準電壓源1403和電阻R的穩(wěn)定度?！緟?/p>