压力传感器的应用与选型.doc

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压力传感器的应用与选型

图1压力传感器的惠司通电桥

        压力传感器主要用于检测流体或固体的压力，并能进行信号远传。

它是工业实践中最为常用的一种传感器，常常作为一种自动化控制的前端元件，因此其广泛应用于各种工业自控环境，包括石油化工、造纸、水处理、电力、船舶、机床和公用设备等行业。

        压力传感器分类

        压力传感器的类型非常多，目前应用比较常见的包括压阻式压力传感器和压电式压力传感器两种。

        压阻式压力传感器

        压阻式压力传感器的工作原理是当压敏电阻受压后产生电阻变化，通过放大器放大并采用标准压力标定，即可进行压力检测。

压阻式压力传感器的性能主要取决于压敏元件（即压敏电阻）、放大电路，以及生产中的标定和老化工艺。

        ●应变片

        在目前的压力传感器封装工艺中，通常可以将压阻式敏感芯体做得体积小巧、灵敏度高，而且稳定性好，并将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料（通常为不锈钢）结合在一起，（如图1所示）这样一来，就能确保压阻式压力传感器过载能力强和抗冲击压力强。

        该类传感器适合测量高量程范围的压力变化，尤其在1Mpa以上时，线性很好，精度也很高，并适合测量与应变材料兼容的各类介质。

        ●陶瓷压阻

        在结构上，该类传感器将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起（如图2所示）。

其过载能力较应变片类低一些，抗冲击压力较差，但灵敏度较高，适合测量50Kpa以上的高量程范围，而且耐腐蚀，温度范围也很宽。

        抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，可以和应变式传感器相兼容。

图2陶瓷压阻式压力传感器的组成

        陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。

陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。

电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。

        ●扩散硅

        与上述两种结构不同，扩散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻。

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

因此扩散硅传感器灵敏度和精度最高，适合测量1kpa到40Mpa的压力范围。

一般情况下，扩散硅传感器分为带隔离膜片和非隔离膜片两种，非隔离膜片只能测量干净的气体，隔离膜片为软性膜片和刚性膜片，适合测量各种类型的介质。

        压电式压力传感器

        工作原理

        压电式传感器是利用某些晶体的极化效应，即当晶体沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应。

图3扩散硅压力传感器外观

        压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠、磷酸二氢胺、钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等，其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，磷酸二氢胺属于人造晶体，而压电陶瓷等则属于多晶体。

        特殊应用

        压电压力传感器主要应用在压力和力等的测量中，比如在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用（图4所示），特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

总之，它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

        压电式压力传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电压力传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电压力传感器的应用就非常广泛。

        压力传感器的选型步骤

        通常，压力传感器在使用中按照以下5个步骤进行。

        熟悉测量压力类型

        先确定系统中要确认测量压力的最大值。

一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。

尤其是在水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，持续的高压力值或稍微超出压力传感器的标定最大值会缩短传感器的寿命。

所以在选择压力传感器时，要充分考虑压力范围、精度与其稳定性。

        了解压力介质类型

图4测量飞机机身振动的压电传感器

        黏性液体会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏传感器中与这些介质直接接触的材料。

以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料，比如在扩散硅压力传感器选择时需要注意隔离膜片。

        掌握精度

        决定压力传感器精度的有非线性、迟滞性、非重复性、零点偏置刻度、温度等，但主要有非线性、迟滞性和非重复性三种。

        确定温度范围

        通常一个压力传感器会标定两个温度范围，即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。

正常操作温度范围是指压力传感器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补偿范围时，可能会达不到其应用的性能指标。

温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围。

        弄清楚输出信号

        压力传感器有mV、V、mA及频率输出和数字输出等多种类型，选择怎样的输出取决于多种因素，包括压力传感器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“电气噪声”或其他干扰信号。

        对于许多压力传感器和控制器间距较短的OEM设备，采用mA输出的压力传感器是最为经济而有效的解决方法。

如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。

对于远距离传输或存在较强的电子干扰信号，最好采用mA级输出或频率输出。

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