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文檔簡(jiǎn)介
1、精選,壓力傳感器原理簡(jiǎn)介,精選,壓力傳感器技術(shù)原理,機(jī)械式壓力傳感器: 液柱式包括水銀柱和U型管,主要用于小量程壓力檢測(cè)和壓差檢測(cè),由于其簡(jiǎn)單可靠和直觀(guān)性,U型壓差計(jì)至今仍在工業(yè)控制中得到廣泛應(yīng)用。但由于其無(wú)法直接得到電信號(hào),且量程較小,限制了其在工業(yè)自動(dòng)控制中的應(yīng)用。,精選,精選,金屬螺旋管壓敏元件和機(jī)械讀數(shù)法,當(dāng)彈性金屬螺旋管內(nèi)充滿(mǎn)流體時(shí),流體壓力的改變會(huì)造成螺旋管的形變,從而制成壓力敏感元件,所用金屬螺旋管稱(chēng)為布爾登管。其一端固定,一端在壓力作用下可自由伸縮,如自由端在壓力下的位移由齒輪系統(tǒng)放大后,帶動(dòng)壓力表指針轉(zhuǎn)動(dòng)。 布爾登管壓力計(jì)一般精度不高,最多只能到滿(mǎn)量程的0.1%,當(dāng)被測(cè)壓力在
2、滿(mǎn)量程下端時(shí),誤差更大。同液柱式壓力計(jì),布爾登管也難以用于工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。,精選,精選,彈性膜片壓敏元件及其壓力計(jì),彈性膜片是應(yīng)用最廣泛的壓力敏感元件,不但機(jī)械式壓力傳感器,也是各類(lèi)電子式壓力傳感器的基礎(chǔ)。 在均勻壓力的作用下,一個(gè)周邊固定半徑為R的圓形金屬膜片的中心點(diǎn)在垂直于膜片平面方向的凹凸變形量Y0: Y0= E為材料楊氏模量,v為泊松比,精選,為了進(jìn)一步改善靈敏度和線(xiàn)性范圍,膜片可以設(shè)計(jì)成波紋狀,下圖 以上介紹的機(jī)械螺旋管、膜片和波紋鼓壓力敏感元件,配上機(jī)械傳動(dòng)的指針來(lái)顯示壓力數(shù)值,其雖然可以直觀(guān)地顯示流體的壓力,但不能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)遙測(cè)和自動(dòng)控制的需要。,精選,采用位移式傳感器測(cè)量壓
3、力,為了能將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào),機(jī)械式膜片和波紋鼓動(dòng)位移用電子位移傳感器測(cè)出,機(jī)械式壓力計(jì)便成為可直接應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的電子類(lèi)壓力傳感器。 如可變電勢(shì)差壓力傳感器,其測(cè)量電路簡(jiǎn)單,信號(hào)無(wú)需放大,但其體積大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)差,接點(diǎn)易磨損。,精選,可變電勢(shì)差壓力傳感器,精選,線(xiàn)性差分變壓器非常適合測(cè)量微小的位移,可達(dá)亞微米級(jí),靈敏度極高,而其兩個(gè)輸出線(xiàn)圈構(gòu)成一個(gè)差分信號(hào)檢測(cè)電路,抗干擾能力很強(qiáng)。但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。,精選,電容式壓力傳感器,膜片電容壓力傳感器是兩個(gè)相互電絕緣的有一定導(dǎo)電性的極板組成,可看成一標(biāo)準(zhǔn)的平行板電容器,其中一個(gè)電極板是可在外加壓力的作用下產(chǎn)生形變的彈性膜
4、片,另一個(gè)極板固定在傳感器的外殼上不會(huì)在壓力作用下變形。當(dāng)壓力變化引起檢測(cè)極板變形改變壓力電容器極板間距,進(jìn)而引起電容量變化來(lái)檢測(cè)壓力變化。,精選,電容式絕對(duì)壓力傳感器,精選,膜片電容壓力傳感器也可設(shè)計(jì)成差分式,以提高靈敏度,穩(wěn)定性和抗干擾能力。壓敏膜片是公用的極板,另外兩個(gè)極板固定,膜片兩方壓力不同,膜片的變形導(dǎo)致一側(cè)電容增加,另一側(cè)電容下降,兩個(gè)壓力電容與另外兩個(gè)外接電容組合成交流電橋,可以非常靈敏的測(cè)量?jī)蓚€(gè)壓力電容的差值。,精選,硅微加工電容式壓力傳感器,其體積小,集成度高,成本低,靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能良好,可大批量制造。其以半導(dǎo)體硅為基板,首先形成氧化硅或氮化硅絕緣層,再形成一層金屬薄膜電極
5、。電極的上方是絕緣的氧化硅或氮化硅圍成的空腔,空腔上口是單晶硅、多晶硅或氮化硅彈性膜片,膜片上表面為薄膜金屬電極層。目前硅微加工電容式壓力傳感器是應(yīng)用最為普遍的壓力傳感器之一。,精選,精選,基于壓阻應(yīng)變片的壓力傳感器,在現(xiàn)代各類(lèi)原理的壓力傳感器中,以壓阻應(yīng)變片為基礎(chǔ)的壓力傳感器是應(yīng)用最廣泛的兩種類(lèi)型中的一種(另一種既是電容式壓力傳感器),此兩類(lèi)原理有可分為粘貼應(yīng)變片式壓力傳感器、薄膜應(yīng)變片式壓力傳感器、硅壓阻壓力傳感器、厚膜壓阻壓力傳感器、硅電容壓力傳感器、厚膜電容壓力傳感器。 各類(lèi)應(yīng)變片,如線(xiàn)繞式應(yīng)變片、金屬合金薄膜、半導(dǎo)體厚膜或薄膜均可以和彈性膜片配合,制成不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。,精選,應(yīng)
6、變片技術(shù)原理,以線(xiàn)體導(dǎo)電絲為例,設(shè)其長(zhǎng)度為L(zhǎng),截面積為A,電阻率為,其電阻值可表示為 R= 當(dāng)導(dǎo)電絲沿長(zhǎng)度受到應(yīng)力影響發(fā)生應(yīng)變時(shí),其長(zhǎng)度、截面積、電阻率均會(huì)有微小的改變,電阻也因而改變。 壓阻應(yīng)變片一般是將壓阻材料鍍?cè)诮^緣材料極板上而成,對(duì)壓阻材料的基本要求如下: 線(xiàn)性度好,以便簡(jiǎn)化讀出電路并提高檢測(cè)精度; 靈敏度系數(shù)高,以便提高電信號(hào)的幅度,降低電路讀出誤差; 應(yīng)變范圍大,以便于增大應(yīng)用范圍; 電阻率高,以便減小應(yīng)變傳感器的尺寸并與測(cè)量電路相匹配(小電流); 滯后效應(yīng)低,以便傳感器能有很好的重復(fù)性和良好的響應(yīng); 溫度系數(shù)低,可簡(jiǎn)化溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì); 溫度范圍大,可在各種環(huán)境溫度下使用; 化學(xué)穩(wěn)
7、定性強(qiáng),不受環(huán)境因素的影響而變質(zhì),作長(zhǎng)期高精度的測(cè)量; 疲勞壽命長(zhǎng),以便用來(lái)做動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。,精選,能滿(mǎn)足以上條件的敏感材料并不存在,各類(lèi)應(yīng)變片僅能滿(mǎn)足特定的需求。金屬合金膜應(yīng)變片其性能穩(wěn)定、溫度系數(shù)小、量程寬,但其靈敏度系數(shù)低,信號(hào)較小。薄膜半導(dǎo)體應(yīng)變片具有較高的靈敏度系數(shù),信號(hào)很大,但溫度系數(shù)高、穩(wěn)定性差。陶瓷厚膜應(yīng)變片采用粉末燒結(jié)工藝制作,主要應(yīng)用于高溫環(huán)境中。單晶硅制作的半導(dǎo)體應(yīng)變片其應(yīng)變靈敏度特大,但其溫度系數(shù)也最大。,精選,精選,= 膜片的邊緣和圓心應(yīng)變?yōu)樽畲笾担菧y(cè)量應(yīng)變的最有利位置。,精選,電阻絲壓力傳感器,屬于非粘貼類(lèi)的壓阻壓力傳感器。通過(guò)敏感膜片的位移引起合金絲張力變化進(jìn)而
8、導(dǎo)致電阻的變化。其體積大,制作一致性差,溫度引起合金絲張力變化導(dǎo)致零點(diǎn)漂移也大。,精選,貼片式應(yīng)變壓力傳感器,將微型應(yīng)變片用粘合劑粘貼在彈性金屬膜片表面,通過(guò)測(cè)量其應(yīng)變將壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。此技術(shù)很適合于極端環(huán)境,如高溫、高壓、輻射。如將硅應(yīng)變片粘貼于金屬?gòu)椥阅て?,則可大幅提高靈敏度(金屬合金電阻靈敏系數(shù)僅為2,而單晶硅靈敏系數(shù)則可達(dá)200)。但此類(lèi)結(jié)構(gòu)壓力傳感器應(yīng)用中遇到的困難主要是熱膨脹系數(shù)不同引起的溫度漂移、工作溫度不宜超過(guò)80度和粘合劑塑性變形導(dǎo)致響應(yīng)恢復(fù)較慢。為了解決此問(wèn)題,就發(fā)展了薄膜應(yīng)變壓力傳感器。,精選,薄膜應(yīng)變壓力傳感器,薄膜式壓阻壓力傳感器將壓敏電阻直接沉積在金屬?gòu)椥阅て?/p>
9、,可以避免膠粘劑工藝帶來(lái)的麻煩,其制作工藝如下: 首先制備絕緣膜,金屬?gòu)椥阅て鲜紫扔谜婵斟?、離子濺射等方法形成一層金屬氧化物陶瓷或玻璃薄膜,然后用薄膜工藝在絕緣膜上制作壓阻薄膜,壓阻薄膜材料用合金或硅均可。最后將壓阻薄膜用光刻或等離子刻蝕成需要的圖形。,精選,壓阻式硅微加工壓力傳感器,以上壓阻式壓力傳感器的體積均較大,加工困難,制作效率較低,成本也較高。因而在硅微加工技術(shù)成熟時(shí),壓阻式硅微加工壓力傳感器便成為壓阻類(lèi)壓力傳感器的主流。本結(jié)構(gòu)壓力傳感器從硅片開(kāi)始,用化學(xué)或等離子刻蝕的方法形成很小的膜片及膜片下的空腔。彈性膜片和壓力空腔可采用同一片硅片,當(dāng)然彈性膜片也可不用硅片而用機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性更好的二氧化硅或氮化硅。此結(jié)構(gòu)傳感器最小可致100微米,可大規(guī)模批量生產(chǎn),成本很低。特別是將讀出電路集成在硅膜片的四周,省去了外部的讀出電路(電路板和
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