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壓力傳感器原理及應用
壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡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
力學傳感器的種類繁多，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。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時，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化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。電阻應變片應用最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特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。
金屬電阻應變片的內部結構
如圖1所示，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。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。
電阻應變片的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω?cm2/m）
S——導體的截面積（cm2）
L——導體的長度（m）
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情
2、陶瓷壓力傳感器原理及應用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，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，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、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2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，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℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。
3、擴散硅壓力傳感器原理及應用
工作原理
被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。
原理圖
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，具有無與倫比的計量特性。
藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯后、疲勞和蠕變現象；藍寶石比硅要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內），因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，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，可在最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、性價比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產生形變，該形變被硅-藍寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會發生變化，變化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，從而達到壓力測量的目的。
5、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現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數比較低），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測量，因為經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。
壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。
壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。
談談壓力變送器的選型
談談壓力變送器的選型
1、變送器要測量什么樣的壓力
先確定系統中測量壓力的最大值，一般而言需要選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。這主要是在許多系統中，尤其是水壓測量和加工處理中，有峰值和持續不規則的上下波動，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器。持續的高壓力值或稍微超出變送器的標定最大值會縮短傳感器的壽命，這樣做還會使精度下降。于是可以用一個緩沖器來降低壓力毛刺，但這樣會降低傳感器的響應速度。所以在選擇變送器時要充分考慮壓力范圍、精度與其穩定性。
2、什么樣的壓力介質
黏性液體、泥漿會堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質會不會破壞變送器中與這些介質直接接觸的材料。以上這些因素將決定是否選擇直接的隔離膜及直接與介質接觸的材料。
3、變送器需要多大的精度
決定精度的有，非線性，遲滯性，非重復性，溫度、零點偏置刻度，溫度的影響。但主要由非線性，遲滯性，非重復性，精度越高，價格也就越高。
4、變送器的溫度范圍
通常一個變送器會標定兩個溫確段，其中一個溫度段是正常工作溫度，另外一個是溫度補償范圍，正常工作溫度范圍是指變送器在工作狀態下不被破壞的時候的溫度范圍，在超出溫度補償范圍時可能會達不到其應用的性能指標。
溫度補償范圍是一個比工作溫度范圍小的典型范圍。在這個范圍內工作變送器肯定會達到其應有的性能指標。溫度變從兩方面影響著其輸出，一是零點漂移，二是影響滿量程輸出。如：滿量程的+/-X%/℃，讀數的+/-X%/℃，在超出溫度范圍時滿量程的+/-X%，在溫度補償范圍內時讀數的+/-X%，如果沒有這些參數，會導至在使用中的不確定性。變送器輸出的變化到度是由壓力變化引起的，還是由溫度變化引起的。溫度影響是了解如何使用變送器時最復雜的一部分。
5、需要得到怎樣的輸出信號
mV、V、mA及頻率輸出數字輸出，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括變送器與系統控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子干擾信號，是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多變送器和控制器間距離較短的OEM設備采用mA輸出的變送器最為經濟而有效的解決方法。
如果需要將輸出信號放大，最好采用具有內置放大的變送器。對于遠距離傳輸或存在較強的電子干擾信號最好采用mA級輸出或頻率輸出。
如果在RFI或EMI指標很高的環境中除了要注意到要選擇mA或頻率輸出外還要考慮到特殊的保護或過濾器。
6、選擇怎樣的勵磁電壓
輸出信號的類型決定選擇怎么樣的勵磁電壓。許多變送器有內置的電壓調節裝置，因此其電源電壓范圍較大。有些變送器是定量配置，需要一個穩定的工作電壓，因此，工作電壓決定是否采用帶有調節器的傳感器，選擇傳送器時要綜合考慮工作電壓與系統造價。
7、是否需要具備互換性的變送器
確定所需的變送器是否能夠適應多個使用系統。一般來講這一點很重要，尤其是對于OEM產品。一旦將產品送到客戶手中那么客戶用來校準的花銷是相當大的。如果產品具有良好的互換性，那么即使改變所用的變送器也不會影響整個系統的效果。
8、變送器超時工作后需要保持穩定度
大部分變送器在經過超額工作后會產生“漂移”，因此很有必要在購買前了解變送器的穩定性，這種預先的工作能減少將來使用中會出現的種種麻煩。
9、變送器的封裝
變送器的封裝，往往容易忽略是它的機架，然而這一點在以后使用中會逐漸暴露出其缺點。在選購變送器時一定要考慮到將來變送器的工作環境，濕度如何，怎樣安裝變送器，會不會有強烈的撞擊或振動等。
10、在變送器與其它電子設備間采用怎樣的連接
是否需要采用短距離連接？若是采用長距離連接，是否需要采用一個連接器？
壓力檢測與變送
一、概述
壓力是工業生產中的重要參數之一，為了保證生產政黨運行，必須對壓力進行監測和控制，但需說明的是，這里所說的壓力，實際上是物理概念中的壓強，即垂直作用在單位面積上的力。
在壓力測量中，常用絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。所謂絕對壓力是指被測介質作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號pj表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。地面上的空氣柱所產生的平均壓力稱為大氣壓力，用符號pq表示。用來測量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差。稱為表壓力，用符號pb表示。即pb=pj-pq。當絕對壓力值小于大氣壓力值時，表壓力為負值（即負壓力），此負壓力值的絕對值，稱為真空度，用符號pz表示。用來測量真空度的儀表稱為真空表。既能測量壓力值又能測量真空度的儀表叫壓力真空表。
二、壓力的測量與壓力計的選擇
壓力測量原理可分為液柱式、彈性式、電阻式、電容式、電感式和振頻式等等。壓力計測量壓力范圍寬廣可以從超真空如133×10-13Pa直到超高壓280MPa。壓力計從結構上可分為實驗室型和工業應用型。壓力計的品種繁多。因此根據被測壓力對象很好地選用壓力計就顯得十分重要。
1．就地壓力指示
當壓力在2.6Kpa時,可采用膜片式壓力表、波紋管壓力表和波登管壓力表。如接近大氣壓的低壓檢測時，可用膜片式壓力表或波紋管式壓力表。
2．遠距離壓力顯示
若需要進行遠距離壓力顯示時，一般用氣動或電動壓力變壓器，也可用電氣壓力傳感器。當壓力范圍為140~280MPa時，則應采用高壓壓力傳感受器。當高真空測量時可采用熱電真空計。
3．多點壓力測量
進行多點壓力測量時，可采用巡回壓力檢測儀。
若被測壓力達到極限值需報警的，則應選用附帶報警裝置的各類壓力計。
正確選擇壓力計除上述幾點考慮外，還需考慮以下幾點。
（1）量程的選擇 根據被測壓力的大小確定儀表量程。對于彈性式壓力表，在測穩定壓力時，最大壓力值應不超過滿量程的3/4；測波動壓力時，最大壓力值應不超過滿量程的2/3。最低測量壓力值應不低于全量程的1/3。
（2）精度選擇 根據生產允許的最大測量誤差，以經濟、實惠的原則確定儀表的精度級。一般工業用壓力表1.5級或2.5級已足夠,科研或精密測量用0.5級或0.35級的精密壓力計或標準壓力表。
（3）使用環境及介質性能的考慮 環境條件惡劣，，如高溫、腐蝕、潮濕、振動等，被測介質的性能，如溫度的高低、腐蝕性、易結晶、易燃、易爆等等，以此來確定壓力表的種類和型號。
（4）壓力表外形尺寸的選擇 現場就地指示的壓力表一般表面直徑為φ100mm，在標準較高或照明條件關差的場合用表面直徑為φ200~φ250mm的，盤裝壓力表直徑為φ150mm，或用矩形壓力表。常用彈性式壓力表規格見表2-1-13。
三、壓力傳感器
壓力傳感器是壓力檢測系統中的重要組成部分,由各種壓力敏感元件將被測壓力信號轉換成容易測量的電信號作輸出,給顯示儀表顯示壓力值,或供控制和報警使用。
1．應變式壓力傳感器
應變式壓力傳感器是把壓力的變化轉換成電阻值的變化來進行測量的，應變片是由金屬導體或半導體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產生的應變而變化。
2．壓電式壓力傳感器
壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應，目前廣泛使用的壓電材料有石英和鈦酸鋇等，當這些晶體受壓力作用發生機械變形時，在其相對的兩個側面上產生異性電荷，這種現象稱為“壓電效應”。
3.光導纖維壓力傳感器
光導纖維壓力傳感器與傳統壓力傳感器相比,有其獨特的優點:利用光波傳導壓力信息,不受電磁干擾,電氣絕緣好,耐腐蝕,無電火花,可以在高壓、易燃易爆的環境中測量壓力、流量、液位等。它靈敏高度，體積小，可撓性好，可插入狹窄的空間是進行測量，因此而得到重視，并且得到迅速發展。
四、壓力變送器
需要在控制室內顯示壓力的儀表，一般選用壓力變送器或壓力傳感器，對于爆炸危險場所，常選用氣動壓力變送器、防爆型電動Ⅱ型或Ⅲ型壓力變送器；對于微壓力的測量，可采用微差壓變送器；對粘稠、易堵、易結晶和腐蝕強的介質，宜選用帶法蘭的膜片式壓力變送器；在大氣腐蝕場所及強腐蝕性等介質測量中，還可選用1151系列或820系列壓力變送器。
壓力變送器測量部分的測壓敏感元件所產生的測量力的大小范圍約為50~100，最高不超過150N。根據這一要求，敏感元件的選擇依據由制成的波紋管，其結構原理如圖2-1-12所示。當被測壓力p進入測量室后，經測量波紋管轉換成測量力，通過推桿用在主杠桿上，傳遞到氣動轉換部分。測量中、高壓2.5~10MPa,10~60 MPa）的敏感元件一般采用鉻釩鋼制成的包端管,它的測量原理是利用包端管末端產生的徑向分力,通過推桿2作用在主杠桿3的下端,帶動變送器的氣動轉換部分動作。 |
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