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技術(shù)文章

淺談壓力傳感器原理與應用
 淺談壓力傳感器原理與應用

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中*為常用的一種傳感器，其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、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、**、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應用。

1、應變片壓力傳感器原理與應用
力學(xué)傳感器的種類(lèi)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*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(xiàn)性特性。下面我們主要介紹這類(lèi)傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變換轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用*多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變換時(shí)，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變換。這種應變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變換通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過(guò)后續的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。

2、壓電壓力傳感器原理與應用
壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過(guò)這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著(zhù)應力的變換電場(chǎng)變換微?。ㄒ簿驼f(shuō)壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。
現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)量測，因為經(jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠量測動(dòng)態(tài)的應力。
壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的量測中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(cháng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊量測中已經(jīng)得到了廣泛的應用，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)量測發(fā)動(dòng)機內部燃燒壓力的量測與真空度的量測。也可以用于**工業(yè)，例如用它來(lái)量測槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變換和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)量測大的壓力，也可以用來(lái)量測微小的壓力。
壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學(xué)量測中，比如說(shuō)心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為量測動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。
3、擴散硅壓力傳感器原理及應用
工作原理
被測介質(zhì)的壓力直接作用于 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)生變換，和用電子線(xiàn)路檢測這一變換，并轉換輸出一個(gè)對應于這一壓力的標準量測信號。
4、藍寶石壓力傳感器原理與應用
利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有****的計量特性。
藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì )發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著(zhù)非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以?xún)龋?，因此，利用?藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變換不敏感，即使在高溫條件下，也有著(zhù)很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無(wú)p-n漂移，因此，從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝，提高了重復性，確保了高成品率。
用硅-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在*惡劣的工作條件下正常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性?xún)r(jià)比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦合金量測膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在鈦合金量測膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與量測膜片之間用拉桿堅固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變，該形變被硅-藍寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會(huì )發(fā)生變換，變換的幅度與被測壓力成正比。
傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力量測的目的。
5、陶瓷壓力傳感器原理及應用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒(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，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線(xiàn)性、與激勵電壓也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為 / / mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過(guò)激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時(shí)間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，并可以和絕大多數介質(zhì)直接接觸。
陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40～135℃，而且具有量測的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長(cháng)期穩定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國家有**替代其它類(lèi)型傳感器的趨勢，在中國也越來(lái)越多的用戶(hù)使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

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