技術(shù)文章
Technical articles壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中zui為常用的一種傳感器,其廣泛應(yīng)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、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)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(yīng)用。另有醫(yī)用壓力傳感器。
壓力傳感器應(yīng)用在很多壞境中,有些壞境可能比較惡劣,比如壓力傳感器需要用來(lái)測(cè)量沖擊壓力,測(cè)沖擊壓力一般要求壓力傳感器性能比較高,我們通常有下面幾種方法來(lái)測(cè)量沖擊型壓力。
*種方法就是用普通的陶瓷壓力傳感器或者擴(kuò)散硅壓力傳感器來(lái)測(cè)量,但不是直接進(jìn)行測(cè)量,而且在前面加一個(gè)緩沖管,這樣也能測(cè)量沖擊性壓力。這種方法經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,安裝方便,所以應(yīng)用也是非常廣泛。
第二種方法就是改變壓力變送器芯片,不用普通的陶瓷芯體或者擴(kuò)散硅芯體,而用應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用zui多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小,一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大,再傳輸給處理電路。應(yīng)變片壓力傳感器一般能抗沖擊,而且抗沖擊比較好,但是這種傳感器精度有帶商確。
不管用什么方法測(cè)量沖擊性壓力都是為了保護(hù)傳感器芯體不被強(qiáng)大的壓力沖壞。具體使用哪種方法還得依據(jù)現(xiàn)在的壞境和客戶(hù)的選擇。
應(yīng)用領(lǐng)域
壓力傳感器主要應(yīng)用于:增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機(jī),壓縮機(jī),空調(diào)制冷設(shè)備等領(lǐng)域。
1、應(yīng)用于液壓系統(tǒng)
壓力傳感器在液壓系統(tǒng)中主要是來(lái)完成力的閉環(huán)控制。當(dāng)控制閥芯突然移動(dòng)時(shí),在極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)形成幾倍于系統(tǒng)工作壓力的尖峰壓力。在典型的行走機(jī)械和工業(yè)液壓中,如果設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到這樣的工況,任何壓力傳感器很快就會(huì)被破壞。需要使用抗沖擊的壓力傳感器,壓力傳感器實(shí)現(xiàn)抗沖擊主要有2種方法,一種是換應(yīng)變式芯片,另一種方法是外接盤(pán)管,一般在液壓系統(tǒng)中采用*種方法,主要是因?yàn)榘惭b方便。此外還有一個(gè)原因是壓力傳感器還要承受來(lái)自液壓泵不間斷的壓力脈動(dòng)。
2.應(yīng)用于安全控制系統(tǒng)
壓力傳感器在安全控制系統(tǒng)中經(jīng)常應(yīng)用,主要針對(duì)的領(lǐng)域是空壓機(jī)自身的安全管理系統(tǒng)。在安全控制領(lǐng)域有很多傳感器應(yīng)用,壓力傳感器作為一種非常常見(jiàn)的傳感器,在安全控制系統(tǒng)中應(yīng)用也不足為奇。
在安全控制領(lǐng)域應(yīng)用一般從性能方面來(lái)考慮,從價(jià)格上的考慮,還有從實(shí)際操作的安全性方便性來(lái)考慮,實(shí)際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機(jī)械設(shè)備的加工技術(shù)將一些元件以及信號(hào)調(diào)節(jié)器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優(yōu)點(diǎn)之一,除此之外,價(jià)格便宜也是它的另一大優(yōu)點(diǎn)。在一定程度上它能夠提高系統(tǒng)測(cè)試的準(zhǔn)確度。在安全控制系統(tǒng)中,通過(guò)在出氣口的管道設(shè)備中安裝壓力傳感器來(lái)在一定程度上控制壓縮機(jī)帶來(lái)的壓力,這算是一定的保護(hù)措施,也是非常有效的控制系統(tǒng)。當(dāng)壓縮機(jī)正常啟動(dòng)后,如果壓力值未達(dá)到上限,那么控制器就會(huì)打開(kāi)進(jìn)氣口通過(guò)調(diào)整來(lái)使得設(shè)備達(dá)到zui大功率。
3.應(yīng)用于注塑模具
壓力傳感器在注塑模具中有著重要的作用。壓力傳感器可被安裝在注塑機(jī)的噴嘴、熱流道系統(tǒng)、冷流道系統(tǒng)和模具的模腔內(nèi),它能夠測(cè)量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過(guò)程中從注塑機(jī)的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。
4.應(yīng)用于監(jiān)測(cè)礦山壓力
傳感器技術(shù)作為礦山壓力監(jiān)控的關(guān)鍵性技術(shù)之一。一方面,我們應(yīng)該正確應(yīng)用已有的各種傳感器來(lái)為采礦行業(yè)服務(wù);另一方面,作為傳感器廠(chǎng)家還要研制和開(kāi)發(fā)新型壓力傳感器來(lái)適應(yīng)更多的采礦行業(yè)應(yīng)用。壓力傳感器有多種,而基于礦山壓力監(jiān)測(cè)的特殊環(huán)境,礦用壓力傳感器主要有:振弦式壓力傳感器、半導(dǎo)體壓阻式壓力傳感器、金屬應(yīng)變片式壓力傳感器、差動(dòng)變壓器式壓力傳感器等。這些傳感器在礦產(chǎn)行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用,具體使用哪種傳感器還有根據(jù)具體的采礦環(huán)境進(jìn)行選擇。
5.應(yīng)用于促進(jìn)睡眠
壓力傳感器本身無(wú)法促進(jìn)睡眠,我們只是將壓力傳感器放在床墊地下,由于壓力傳感器具有高靈敏度,當(dāng)人發(fā)生翻身、心跳以及呼吸等有關(guān)的動(dòng)作時(shí),傳感器會(huì)分析這一系列信息,去推斷睡眠人睡覺(jué)處于一個(gè)什么狀態(tài),然后通過(guò)對(duì)傳感器的分析,收集傳感器的信號(hào)得到心跳和呼吸節(jié)奏等睡眠的數(shù)據(jù),zui后將所有數(shù)據(jù)處理譜成一首段的曲目,當(dāng)然能將你一個(gè)晚上的睡眠壓縮成一首幾分鐘的音樂(lè)。
6.應(yīng)用于壓縮機(jī),空調(diào)冷設(shè)備
壓力傳感器常用于空氣壓力機(jī),以及空調(diào)制冷設(shè)備,這類(lèi)傳感器產(chǎn)品外形小巧、安裝方便、導(dǎo)壓口一般采用閥針式設(shè)計(jì)。
防腐技巧
壓力傳感器被應(yīng)用于各行各業(yè),尤其是工業(yè)上應(yīng)用非常多的壓力傳感器,但是工業(yè)上一般要求壓力傳感器能夠防腐蝕,壓力傳感器接頭和腔體采用進(jìn)口不銹鋼整體加工,作為壓力變送器彈體的不銹鋼材料耐蝕性高、衰減性能好,可以監(jiān)測(cè)任何與316L相兼容的介質(zhì)。下面我們還來(lái)介紹一下壓力傳感器的防腐技巧。
首先,了解被測(cè)介質(zhì)是否與316L相兼容:316,317L合金在100小時(shí)5%鹽霧測(cè)試中,都沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕。其次,在選購(gòu)傳感器產(chǎn)品時(shí),向供應(yīng)商咨詢(xún)介質(zhì)對(duì)壓力傳感器是否有影響;通過(guò)對(duì)彈體耐腐蝕材料的選擇,以便達(dá)到用戶(hù)使用的需求。zui后,我們可以采用隔離辦法:壓力變送器前有鉬2鈦和鉭片,膜片與彈道管之間用甲基硅油傳送壓力,zui小量程可做到0~100kPa,如果膜片材料還不耐腐,則可加一層F46膜片,但儀表靈敏底有所降低。也可直接用F46作隔離膜片,傳遞液可選用氟油,則可起雙重隔離作用。
壓力傳感器在使用過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)其不能與介質(zhì)兼容就必須馬上更換傳感器,對(duì)應(yīng)一些特殊的介質(zhì)我們可以采用特殊的材質(zhì)或者特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行測(cè)量,壓力傳感器未來(lái)肯定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用,所以作為廠(chǎng)家我們要積極開(kāi)發(fā)新型壓力傳感器來(lái)適應(yīng)需要。
趨勢(shì)
1.主要垂直行業(yè),包括石油和天然氣、汽車(chē)和醫(yī)療保健的技術(shù)進(jìn)步導(dǎo)致了多種應(yīng)用程序以及壓力傳感器功能的演變。
2.汽車(chē)領(lǐng)域是壓力傳感器的zui重要的用戶(hù)之一,汽車(chē)生產(chǎn)的激增導(dǎo)致對(duì)壓力傳感器和相關(guān)組件的需求不斷增加。
3.機(jī)動(dòng)車(chē)安全已成為整個(gè)汽車(chē)行業(yè)的重要方面,圍繞此項(xiàng)特性的嚴(yán)格的政府法規(guī)有助于促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)壓力傳感器的需求增長(zhǎng)。
4.基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的技術(shù)一直以來(lái)廣受大眾歡迎,采用量大增,導(dǎo)致壓力傳感器市場(chǎng)的增長(zhǎng)。
5.消費(fèi)電子壓力傳感器使用量大大增加,成為整個(gè)市場(chǎng)發(fā)展zui快的應(yīng)用領(lǐng)域。
6.終端使用行業(yè)如汽車(chē)和醫(yī)療保健市場(chǎng)趨于成熟成為阻礙北美和歐洲壓力傳感器市場(chǎng)的一大挑戰(zhàn)。
7.在亞洲國(guó)家,如中國(guó)、日本、印度和韓國(guó)快速的工業(yè)化和機(jī)動(dòng)車(chē)生產(chǎn)都可以歸結(jié)為亞太壓力傳感器市場(chǎng)的發(fā)展。
8.亞太和中東地區(qū)的智能城市基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展持有巨大的未來(lái)增長(zhǎng)潛力。
9.消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)壓力傳感器對(duì)其安裝和更換不斷飆升的成本心存憂(yōu)慮,可能會(huì)影響壓力傳感器市場(chǎng)。
10.在過(guò)去的幾年中,壓力傳感器市場(chǎng)取得了迅速進(jìn)展,對(duì)競(jìng)爭(zhēng)格局產(chǎn)生了積極影響,為市場(chǎng)引入了新的參與者并擴(kuò)大了市場(chǎng)現(xiàn)有參與者的范圍。
原則
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別,如何根據(jù)具體的測(cè)量目的、測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感
EPXO壓力傳感器
EPXO壓力傳感器
器,是在進(jìn)行某個(gè)量的測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題。當(dāng)傳感器確定之后,與之相配套的測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備也就可以確定了。測(cè)量結(jié)果的成敗,在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
1、根據(jù)測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境確定傳感器的類(lèi)型
要進(jìn)行—個(gè)具體的測(cè)量工作,首先要考慮采用何種原理的傳感器,這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?,即使是測(cè)量同一物理量,也有多種原理的傳感器可供選用,哪一種原理的傳感器更為合適,則需要根據(jù)被測(cè)量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問(wèn)題:量程的大?。槐粶y(cè)位置對(duì)傳感器體積的要求;測(cè)量方式為接觸式還是非接觸式;信號(hào)的引出方法,有線(xiàn)或是非接觸測(cè)量;傳感器的來(lái)源,國(guó)產(chǎn)還是進(jìn)口,價(jià)格能否承受,還是自行研制。
在考慮上述問(wèn)題之后就能確定選用何種類(lèi)型的傳感器,然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。
2、靈敏度的選擇
通常,在傳感器的線(xiàn)性范圍內(nèi),希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí),與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大,有利于信號(hào)處理。但要注意的是,傳感器的靈敏度高,與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入,也會(huì)被放大系統(tǒng)放大,影響測(cè)量精度。因此,要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比,盡量減少?gòu)耐饨缫氲膹S(chǎng)擾信號(hào)。
傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測(cè)量是單向量,而且對(duì)其方向性要求較高,則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器;如果被測(cè)量是多維向量,則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3、頻率響應(yīng)特性
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測(cè)量的頻率范圍,必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件,實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲,希望延遲時(shí)間越短越好。
傳感器的頻率響應(yīng)高,可測(cè)的信號(hào)頻率范圍就寬,而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響,機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大,因有頻率低的傳感器可測(cè)信號(hào)的頻率較低。
在動(dòng)態(tài)測(cè)量中,應(yīng)根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性,以免產(chǎn)生過(guò)火的誤差。
4、線(xiàn)性范圍
傳感器的線(xiàn)形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講,在此范圍內(nèi),靈敏度保持定值。傳感器的線(xiàn)性范圍越寬,則其量程越大,并且能保證一定的測(cè)量精度。在選擇傳感器時(shí),當(dāng)傳感器的種類(lèi)確定以后首先要看其量程是否滿(mǎn)足要求。
但實(shí)際上,任何傳感器都不能保證的線(xiàn)性,其線(xiàn)性度也是相對(duì)的。當(dāng)所要求測(cè)量精度比較低時(shí),在一定的范圍內(nèi),可將非線(xiàn)性誤差較小的傳感器近似看作線(xiàn)性的,這會(huì)給測(cè)量帶來(lái)極大的方便。
5、穩(wěn)定性
傳感器使用一段時(shí)間后,其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩(wěn)定性。影響傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外,主要是傳感器的使用環(huán)境。因此,要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性,傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。
在選擇傳感器之前,應(yīng)對(duì)其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查,并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器,或采取適當(dāng)?shù)拇胧瑴p小環(huán)境的影響。
傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo),在超過(guò)使用期后,在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定,以確定傳感器的性能是否發(fā)生變化。
在某些要求傳感器能長(zhǎng)期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場(chǎng)合,所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格,要能夠經(jīng)受住長(zhǎng)時(shí)間的考驗(yàn)。
6、精度
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo),它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高,其價(jià)格越昂貴,因此,傳感器的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以,不必選得過(guò)高。這樣就可以在滿(mǎn)足同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。
如果測(cè)量目的是定性分析的,選用重復(fù)精度高的傳感器即可,不宜選用量值精度高的;如果是為了定量分析,必須獲得的測(cè)量值,就需選用精度等級(jí)能滿(mǎn)足要求的傳感器。
對(duì)某些特殊使用場(chǎng)合,無(wú)法選到合適的傳感器,則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿(mǎn)足使用要求。
原理應(yīng)用
種類(lèi)
力學(xué)傳感器的種類(lèi)繁多,如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)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(yīng)用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。
認(rèn)識(shí)
在了解壓阻式力傳感器時(shí),我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用zui多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變,從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小,一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,并通過(guò)后續(xù)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(zhuǎn)換和CPU)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
作業(yè)方式
選擇壓力傳感器的時(shí)候需要注意很多問(wèn)題,比如,壓力傳感器的量程、精度、壓力傳感器的溫度特性,化學(xué)特性都是要考慮的,而壓力傳感器的作業(yè)方式也是需要考慮的重要問(wèn)題。
例如傳感器用于氣體壓力的測(cè)量與液體壓力的測(cè)量時(shí)情況便不同。氣體是可壓縮流體,增奪時(shí)會(huì)貯存一定的壓縮能,減壓時(shí)又以動(dòng)能釋放出來(lái),給傳感器彈性膜施加沖擊波。要求壓力傳感器有較大的過(guò)載能力。液體是不可壓縮流體,在壓力傳感器安裝時(shí),擰緊螺拴又無(wú)可壓縮空間則可使液體壓力升高超過(guò)彈性膜的耐壓極限,導(dǎo)致彈性膜破裂。由于這種情況屢屢發(fā)生,也要求壓力傳感器有較大的過(guò)壓能力。壓力傳感器的工作環(huán)境惡劣時(shí),例如有大的振動(dòng)、沖擊,大的電磁干擾,對(duì)傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不僅過(guò)壓能力強(qiáng),而且要求機(jī)械密封可靠,防松動(dòng),傳感器安裝正確。傳感器自身的引線(xiàn)、引腳以及外導(dǎo)線(xiàn)都應(yīng)加以電磁屏蔽,并將屏蔽良好接地。此外,應(yīng)考慮壓力傳感器與所測(cè)流體介質(zhì)的相容性問(wèn)題。例如傳感器的彈性膜結(jié)構(gòu)應(yīng)與腐蝕性介質(zhì)相隔開(kāi),此時(shí)采有不銹鋼波紋套傳感器,傳感器內(nèi)用硅油作傳壓介質(zhì)。傳感器檢測(cè)易燃、易爆介質(zhì)壓力時(shí),使用小激勵(lì)電流,防止彈性膜破裂時(shí)產(chǎn)生火花、火星,并增加壓力傳感器外套的耐壓能力。
只有了解了壓力傳感器的作業(yè)方式才能更好的選擇壓力傳感器,尤其是如今壓力傳感器正在飛速發(fā)展,所以了解壓力傳感器的作業(yè)方式是非常必要的。
關(guān)鍵作用
壓力傳感器不僅在生產(chǎn)測(cè)量中應(yīng)用廣泛,如今在我們生活中也常??匆?jiàn),在我們大多的交通工具中都有壓力傳感器,可能一般人知道汽車(chē)上有壓力傳感器,其實(shí)普通的摩托車(chē)上也有壓力傳感器的應(yīng)用。
摩托車(chē)的動(dòng)力來(lái)自汽油機(jī)汽缸內(nèi)油的燃燒。只有充分燃燒才能提供很好的動(dòng)力,良好的燃燒必須具備良好的混合氣、充分的壓縮和*點(diǎn)火三個(gè)條件。電噴系統(tǒng)能否正確的將空燃比控制在所需的范圍內(nèi),決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)的優(yōu)劣。而汽油機(jī)空燃比的控制是采用調(diào)整與進(jìn)氣量相匹配的供油量實(shí)現(xiàn)的,因此,進(jìn)氣空氣流量的測(cè)量精度直接影響空燃比的控制精度。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線(xiàn)等部分組成。根據(jù)不同的用途,電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì),但電阻的取值范圍應(yīng)注意:阻值太小,所需的驅(qū)動(dòng)電流太大,同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度過(guò)高,不同的環(huán)境中使用,使應(yīng)變片的阻值變化太大,輸出零點(diǎn)漂移明顯,調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。而電阻太大,阻抗太高,抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
工作原理
金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象,俗稱(chēng)為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示:
R=ρ
式中:ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率(Ω·
/m)
S——導(dǎo)體的截面積(
)
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例,當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí),其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化,從上式中可很容易看出,其電阻值即會(huì)發(fā)生改變,假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí),其長(zhǎng)度增加,而截面積減少,電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí),長(zhǎng)度減小而截面增加,電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化(通常是測(cè)量電阻兩端的電壓),即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情。
原理應(yīng)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(yīng),使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線(xiàn)性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過(guò)激光標(biāo)定,傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性,傳感器自帶溫度補(bǔ)償0~70℃,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。
陶瓷是一種*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(wěn)定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40~135℃,而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度>2kV,輸出信號(hào)強(qiáng),長(zhǎng)期穩(wěn)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(guó)家有全面替代其它類(lèi)型傳感器的趨勢(shì),在中國(guó)也越來(lái)越多的用戶(hù)使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。
保護(hù)
壓力傳感器我們經(jīng)常使用,我們?cè)谑褂眠^(guò)程中一定要注意保護(hù)壓力傳感器,因?yàn)閴毫鞲衅麟m然有不銹鋼保護(hù),但是壓力傳感器還是很容易損壞的,尤其的使用不當(dāng)很容易造成壓力傳感器損壞導(dǎo)致?lián)p失。
首先肯定是傳感器超量程使用,不要施加超過(guò)額定耐壓力的壓力。若施加了耐壓力以上的壓力,可能引起破損。其次是使用環(huán)境,避免在有可燃性和爆炸性氣體的環(huán)境下使用。還有就是電源電壓和負(fù)載短路,使用時(shí)請(qǐng)不要超過(guò)使用電壓范圍。若施加了使用電壓范圍以上的電壓,則可能引起破裂或燒毀。避免使負(fù)載短路。否則可能引起破裂或燒毀。還有一點(diǎn)比較少見(jiàn)就是誤布線(xiàn),避免對(duì)電源的極性等進(jìn)行錯(cuò)誤布線(xiàn)。否則可能引起破裂或燒毀。
壓力傳感器再在使用的時(shí)候一定要學(xué)會(huì)如何保護(hù)它,否則它很容易被損壞從而造成生產(chǎn)上的損失,當(dāng)然只要我們按廠(chǎng)家說(shuō)明書(shū)正確操作,避免上述的幾個(gè)問(wèn)題,壓力傳感器還是可以長(zhǎng)時(shí)間工作的。有些壓力傳感器能用到幾年甚至十幾年。主要是要學(xué)會(huì)如何保護(hù)它。
分類(lèi)
壓電式
壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí),其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng),這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形,電場(chǎng)去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。壓電式壓力傳感器的種類(lèi)和型號(hào)繁多,按彈性敏感元件和受力機(jī)構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類(lèi)。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上,由膜片將被測(cè)壓力傳遞給壓電元件,再由壓電元件輸出與被測(cè)壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性好、耐高溫等?,F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)對(duì)傳感器的性能出越來(lái)越高的要求。
例如用壓力傳感器測(cè)量繪制內(nèi)燃機(jī)示功圖,在測(cè)量中不允許用水冷卻,并要求傳感器能耐高溫和體積小。壓電材料于研制這種壓力傳感器。石英是一種非常好的壓電材料,壓電效應(yīng)就是在它上面發(fā)現(xiàn)。比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ(+20°~+30°)割型的石英晶體可耐350℃的高溫。而LiNbO3單晶的居里點(diǎn)高達(dá)1210℃,是制造高溫傳感器的理想壓電材料。
擴(kuò)散硅式
被測(cè)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)生變化,和用電子線(xiàn)路檢測(cè)這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。
藍(lán)寶石式
利用應(yīng)變電阻式工作原理,采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件,具有的計(jì)量特性。
藍(lán)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(xiàn)象;藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)固,硬度更高,不怕形變;藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性(1000 OC以?xún)?nèi)),因此,利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件,對(duì)溫度變化不敏感,即使在高溫條件下,也有著很好的工作特性;藍(lán)寶石的抗輻射特性*;另外,硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)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(fù)性,確保了高成品率。
用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器,可在zui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(gòu)成:鈦合金測(cè)量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石薄片,被焊接在鈦合金測(cè)量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接收膜片上(接收膜片與測(cè)量膜片之間用拉桿堅(jiān)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(lán)寶石敏感元件感知后,其電橋輸出會(huì)發(fā)生變化,變化的幅度與被測(cè)壓力成正比。
傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電,并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)輸出(0-5,4-20mA或0-5V)。在絕壓壓力傳感器和變送器中,藍(lán)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(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變,從而達(dá)到壓力測(cè)量的目的。
壓電傳感器
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(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),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)*消失(這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”)。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小(也就說(shuō)壓電系數(shù)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(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,比如壓電陶瓷,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(yīng)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)測(cè)量,因?yàn)榻?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測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。
壓力傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)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)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè),例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力,也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。
壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中,比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的,因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍,所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。
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