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压力传感器原理、分类和应用

2021-05-14| 发布者: 天桥信息社| 查看: 135| 评论: 1|文章来源: 互联网

摘要: 1.定义:是测量液体和气体压力的传感器。与其他传感器类似,压力传感器将压力转换成电信号并输出。二、压力......
1.定义:压力传感器是测量液体和气体压力的传感器。与其他传感器类似,压力传感器将压力转换成电信号并输出。二、压力传感器分类:压力传感器在技术、设计、性能、工作条件、价格等方面差异很大。据估计,全世界有60多种压力传感器和至少300家生产压力传感器的企业。压力传感器可以根据其测量的压力范围、工作温度和压力类型进行分类。最重要的是压力型。如果按压力类型分类,压力传感器可分为以下五类:绝对压力传感器:这种压力传感器测量流体的真实压力,即真空压力下的压力。海平面绝对大气压为101.325kPa(14.7?PSI).表压传感器:这种压力传感器可以测量特定位置相对于大气压的压力。轮胎压力表就是一个例子。当轮胎压力表显示读数为0PSI时,表示轮胎内部压力等于大气压,为14.7PSI真空压



力传感器:这种压力传感器用于测量小于一个大气压的压力。工业上的一些真空压力传感器相对于一个大气压读数(读数为负),而其他的是基于它们的绝对压力。差压计:该仪器用于测量两个压力之间的压差,如滤油器两端的压差,差压计也用于测量压力容器中的流量或液位。密封式压力传感器:该仪器类似于表压传感器,但会经过特殊校正,其测得的压力是相对于海平面的。根据结构和原理的不同,可分为应变式、压阻式、电容式、压电式、振动频率式压力传感器等。此外,还有光电、光纤和超声波压力传感器。

      

1.应变压力传感器应变压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。根据材料的不同,应变元件可以分为金属和半导体。应变元件的工作原理是基于导体和半导体的“应变效应”,即当导体和半导体的材料发生机械变形时,其电阻值会发生变化。导线受到外力作用时,其长度和截面积会发生变化,电阻值也会发生变化。如果导线受到外力拉伸,其长度会增加,但截面积会减小,电阻值会增加。导线受到外力压缩时,长度减小,截面增大,电阻值减小。只要测量施加在电阻器上的电压的变化,就可以获得应变导线的应变状态。



2.压阻式压力传感器压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料受力后电阻率发生变化,通过测量电路可以得到与力变化成正比的电信号输出。也叫扩散硅压阻式压力传感器,不同于粘贴式应变仪,它需要通过弹性敏感元件间接感受外力,而是通过硅膜片直接感受被测压力。压阻压力传感器主要基于压阻效应。压阻效应用于描述材料在机械应力下的电阻变化。与压电效应不同,压阻效应只产生阻抗变化,不产生电荷。已经发现大多数金属材料和半导体材料具有压阻效应。其中,半导体材料中的压阻效应远大于金属中的压阻效应。由于硅是当今集成电路的主要原材料,硅压阻元件的应用变得非常有意义。硅的电阻变化不仅来源于与应力相关的几何形变,还来源于材料本身与应力相关的电阻,使其度数因子比金属大几百倍。N型硅的电阻变化主要是由于载流子在导带之间的重新分布
         
  其次,由于有效质量的变化与导带谷形状的变化有关。在p型硅中,这一现象变得更加复杂,也导致了等效质量和空穴转换的变化。压阻式压力传感器通常通过导线连接到惠斯通电桥。平时敏感芯上没有施加压力,电桥处于平衡状态(称为零位)。当传感器受压后芯片电阻发生变化时,电桥就会失去平衡。如果给电桥加一个恒流或恒压电源,电桥就会输出一个与压力相对应的电压信号,使传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号并输出。电桥检测电阻值的变化,放大后通过电压电流转换转换成相应的电流信号。电流信号由非线性校正回路补偿,产生输入电压线性对应的4 ~ 20mA标准输出信号。为了减少温度变化对铁芯电阻值的影响,提高测量精度,压力传感器采用温度补偿措施,使其零点漂移、灵敏度、线性度和稳定性等技术指标保持在较高水平。



3.电容式压力传感器电容式压力传感器是一种压力传感器,它使用电容作为敏感元件,并将测量的压力转换为电容值的变化。这种压力传感器通常使用圆形金属膜或金属镀膜作为电容器的电极。当薄膜被压力变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容发生变化,通过测量电路可以输出与电压有一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距可变电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。单个电容式压力传感器由圆形薄膜和固定电极组成。薄膜在压力下变形,从而改变电容器的容量。它的灵敏度与膜的面积和压力近似成正比,与膜的张力和膜与固定电极之间的距离成反比。另一种固定电极为凹球面形状,振膜为周边固定的张力平面,可由塑料镀金属层制成。

           

这种类型适用于测量低压,并具有高过载能力。它也可以制成单个电容式压力传感器,通过使用带有活塞移动极的隔膜来测量高压。这种类型可以减少隔膜的直接压力面积,从而使用更薄的隔膜来提高灵敏度。为了提高抗干扰能力,它还与各种补偿保护部件和放大电路封装在一起。该传感器适用于测量动态高压和遥测飞机。还有麦克风型(麦克风型)和听诊器型的单电容式压力传感器。差动电容式压力传感器的受压隔膜电极位于两个固定电极之间,形成两个电容。在压力的作用下,一个电容的电容增大,而另一个电容的电容相应减小,测量结果由差动电路输出。它的固定电极是在凹面玻璃表面镀金属层制成的。过载时,膜片受凹面保护,不会断裂。差动电容式压力传感器比单电容式压力传感器具有更高的灵敏度和更好的线性度,但加工困难(特别是保证对称性),不能隔离被测气体或液体,因此不适合在腐蚀性或杂质流体中工作。



4.压电式压力传感器压电式压力传感器主要是基于压电效应,利用电气元件等机械将待测压力转化为电能,然后进行相关的测量工作,如很多压力变送器、压力传感器等。压电传感器不能用于静态测量,因为只有当回路具有无穷大的输入阻抗时,外力作用后的电荷才能被保留。但事实并非如此。因此,压电传感器只能用于动态测量。其主要压电材料有:磷酸二氢盐、酒石酸钾钠和应时。应时发现了压电效应。当应力改变时,电场也随之改变
          
  酒石酸钾钠具有很大的压电系数和压电灵敏度,只能在室内湿度和温度较低的地方使用。磷酸二氢盐是一种人工晶体,可用于高湿度和高温环境,因此应用广泛。随着技术的发展,压电效应已经应用到多晶材料中。例如,压电陶瓷、铌酸镁压电陶瓷、铌酸盐压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷都包括在内。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指:晶体受到固定方向的外力时,发生内部极化现象,两个表面同时产生符号相反的电荷;当外力去除后,晶体回到不带电荷的状态。外力方向改变,电荷极性也随之改变。晶体上的应力产生的电荷量与外力的大小成正比。压电传感器大多由正压电效应制成。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起的机械变形现象,也称为电致伸缩效应。利用逆压电效应制造的发射器可用于电声和超声工程。压电传感器的应力变形有五种基本形式:厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切和平面剪切。压电晶体是各向异性的,并不是所有的晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如,应时晶体没有体积变形压电效应,但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。

      

5.感应压力传感器电磁压力传感器是利用电磁原理的各种传感器的总称,主要包括感应压力传感器、霍尔压力传感器、涡流压力传感器等。感应式压力传感器的工作原理是,由于磁性材料和磁导率的不同,当压力作用在膜片上时,气隙大小发生变化,气隙的变化影响线圈电感的变化。处理电路可以将电感的变化转化为相应的信号输出,从而达到测量压力的目的。根据磁路的变化,压力传感器可分为变磁阻和变磁导率两种类型。感应式压力传感器的优点是灵敏度高,测量范围宽。缺点是不能应用于高频动态环境。可变磁阻压力传感器的主要部件是铁芯和膜片。它们之间的气隙形成了磁路。有压力时,气隙变化,也就是磁阻变化。如果在铁芯线圈上施加一定的电压,电流会随着气隙的变化而变化,从而测量压力。当磁通密度较高时,铁磁材料的磁导率不稳定,可以用变磁导率压力传感器来测量。可变磁导率压力传感器使用可移动的磁性元件代替铁芯,压力的变化导致磁性元件的移动,从而磁导率发生变化,从而获得压力值。



6.霍尔压力传感器霍尔压力传感器是基于一些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指固体导体置于磁场中,有电流通过时,导体中的电荷载流子被洛伦兹力偏置到一侧,进而产生电压(霍尔电压)的现象。电压引起的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可以证明导体内部的电流是由带负电的粒子(自由电子)运动引起的。对导体施加垂直于电流方向的磁场,会使导体中的电子受到洛伦兹力的作用而聚集,从而产生电子聚集方向的电场。这个电场会使后面的电子在电力的作用下,平衡磁场产生的洛仑兹力,使后面的电子可以顺利通过而不产生偏差,这就是所谓的霍尔效应。产生的内置电压称为霍尔电压。当磁场是交变磁场时,霍尔电动势也是交变电动势

  常用霍尔元件的材料大多是半导体,包括n型硅(si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、锗(ge)、砷化镓(GaAs)和多层半导体结构材料。n型硅具有良好的霍尔系数、温度稳定性和线性度,而砷化镓的温度漂移较小,目前使用的是砷化镓。7.涡流压力传感器基于涡流效应的压力传感器。涡流效应是由运动磁场和金属导体的相交引起的,或者是由运动金属导体和磁场的垂直相交引起的。总之是电磁感应效应造成的。这个动作会在导体中产生电流。涡流特性使涡流检测具有零频率响应,因此涡流压力传感器可用于静电力检测。

              

8.振弦式压力传感器振弦式压力传感器是一种频率敏感型传感器。这种频率测量精度很高,因为时间和频率是可以精确测量的物理参数,在频率信号的传输过程中可以忽略电缆电阻、电感、电容等因素的影响。同时,振弦压力传感器还具有抗干扰能力强、零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定、数据传输、处理和存储方便、易于实现仪器数字化等优点,因此振弦压力传感器也可以成为传感技术的发展方向之一。振弦式压力传感器的敏感元件是绷紧的钢绳,敏感元件的固有频率与张力有关。弦的长度是固定的,弦振动频率的变化可以用来测量张力,即输入是力信号,输出是频率信号。



振弦压力传感器由上下两部分组成,下部主要由敏感元件组成。上部组件为铝壳,内装电子模块和接线端子,分为两个腔室,接线时不会影响电子模块腔室的密封性。振弦式压力传感器可选择电流输出型和频率输出型。振弦压力传感器处于工作模式,振弦以其共振频率不断振动。当测得的压力改变时,频率也会改变。这个频率信号可以通过转换器转换成4~20mA的电流信号。3.压力传感器的应用:压力传感器可以直接将测量的压力转换成各种形式的电信号,方便满足自动化系统集中检测和控制的要求,因此在工业生产中得到广泛应用。压力传感器广泛应用于许多监控和控制应用中。除了直接压力测量之外,压力传感器还可用于间接测量其他量,如液体/气体流速、速度、水面高度或高度


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