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                  压力传感器原理及应用

                  压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器华体会hth体育-官方网站,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、铁路交通华体会hth体育-官方网站、智能建筑华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、生产自控华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、航空航天、军工华体会hth体育-官方网站、石化、油井华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、电力华体会hth体育-官方网站、船舶华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、机床华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、管道等众多行业,下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
                  1华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器华体会hth体育-官方网站、电感式压力传感器华体会hth体育-官方网站、电容式压力传感器华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器华体会hth体育-官方网站。在了解压阻式力传感器时华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,我们首先认识一下电阻应变片这种元件华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件华体会hth体育-官方网站。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种华体会hth体育-官方网站。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上华体会hth体育-官方网站,当基体受力发生应力变化时华体会hth体育-官方网站,电阻应变片也一起产生形变华体会hth体育-官方网站,使应变片的阻值发生改变华体会hth体育-官方网站,从而使加在电阻上的电压发生变化华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小华体会hth体育-官方网站,一般这种应变片都组成应变电桥华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,并通过后续的仪表放大器进行放大华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。 金属电阻应变片的内部结构 如图1所示华体会hth体育-官方网站,是电阻应变片的结构示意图华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,它由基体材料华体会hth体育-官方网站、金属应变丝或应变箔华体会hth体育-官方网站、绝缘被寤醜th体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站;て鸵鱿叩炔糠肿槌?。根据不同的用途华体会hth体育-官方网站,电阻应变片的阻值可以由设计者设计华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大华体会hth体育-官方网站,同时应变片的发热致使本身的温度过高华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大华体会hth体育-官方网站,输出零点漂移明显华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,调零电路过于复杂华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。而电阻太大华体会hth体育-官方网站,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右华体会hth体育-官方网站。 电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象华体会hth体育-官方网站,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示: 式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m) S——导体的截面积(cm2) L——导体的长度(m) 我们以金属丝应变电阻为例华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,当金属丝受外力作用时华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,其长度和截面积都会发生变化华体会hth体育-官方网站,从上式中可很容易看出华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,其电阻值即会发生改变华体会hth体育-官方网站,假如金属丝受外力作用而伸长时华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,其长度增加,而截面积减少华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时华体会hth体育-官方网站,长度减小而截面增加华体会hth体育-官方网站,电阻值则会减小华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压)华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,即可获得应变金属丝的应变情
                  2华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递华体会hth体育-官方网站,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面华体会hth体育-官方网站,连接成一个惠斯通电桥(闭桥)华体会hth体育-官方网站,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华体会hth体育-官方网站,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,传感器自带温度补偿0~70℃,并可以和绝大多数介质直接接触华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。   陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、抗冲击和振动的材料华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。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℃华体会hth体育-官方网站,而且具有测量的高精度华体会hth体育-官方网站、高稳定性华体会hth体育-官方网站。电气绝缘程度>2kV,输出信号强华体会hth体育-官方网站,长期稳定性好华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。高特性华体会hth体育-官方网站,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向华体会hth体育-官方网站,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势华体会hth体育-官方网站,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
                  3华体会hth体育-官方网站、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 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)华体会hth体育-官方网站,使膜片产生与介质压力成正比的微位移华体会hth体育-官方网站,使传感器的电阻值发生变化华体会hth体育-官方网站,和用电子线路检测这一变化华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号华体会hth体育-官方网站。 原理图
                  4华体会hth体育-官方网站、蓝宝石压力传感器原理与应用
                  利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,具有无与伦比的计量特性华体会hth体育-官方网站。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成华体会hth体育-官方网站,不会发生滞后华体会hth体育-官方网站、疲劳和蠕变现象华体会hth体育-官方网站;蓝宝石比硅要坚固华体会hth体育-官方网站,硬度更高华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,不怕形变华体会hth体育-官方网站;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC以内),因此华体会hth体育-官方网站,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,对温度变化不敏感华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,即使在高温条件下华体会hth体育-官方网站,也有着很好的工作特性华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,硅-蓝宝石半导体敏感元件华体会hth体育-官方网站,无p-n漂移华体会hth体育-官方网站,因此,从根本上简化了制造工艺华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,提高了重复性华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,确保了高成品率华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器华体会hth体育-官方网站,可在最恶劣的工作条件下正常工作华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,并且可靠性高华体会hth体育-官方网站、精度好华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、温度误差极小华体会hth体育-官方网站、性价比高华体会hth体育-官方网站。表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片华体会hth体育-官方网站,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)华体会hth体育-官方网站。在压力的作用下华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,钛合金接收膜片产生形变华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后华体会hth体育-官方网站,其电桥输出会发生变化华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,变化的幅度与被测压力成正比华体会hth体育-官方网站。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电华体会hth体育-官方网站,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出(0-5华体会hth体育-官方网站,4-20mA或0-5V)华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起,起到了弹性元件的作用,将被测压力转换为应变片形变,从而达到压力测量的目的华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。
                  5华体会hth体育-官方网站、压电压力传感器原理与应用
                  压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,但温度超过这个范围之后华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。由于随着应力的变化电场变化微?华体会hth体育-官方网站。ㄒ簿退笛沟缦凳冉系停?,所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度华体会hth体育-官方网站,所以已经得到了广泛的应用。    现在压电效应也应用在多晶体上华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,比如现在的压电陶瓷华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,包括钛酸钡压电陶瓷华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、PZT华体会hth体育-官方网站、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。   压电效应是压电传感器的主要工作原理华体会hth体育-官方网站,压电传感器不能用于静态测量华体会hth体育-官方网站,因为经过外力作用后的电荷华体会hth体育-官方网站,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存华体会hth体育-官方网站。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中华体会hth体育-官方网站。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。它具有结构简单、体积小华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、重量轻、使用寿命长等优异的特点华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。压电式加速度传感器在飞机华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、汽车华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、船舶华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。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。也可以用于军事工业华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。它既可以用来测量大的压力华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,也可以用来测量微小的压力华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站。   压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中华体会hth体育-官方网站,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,因为测量动态压力是如此普遍华体会hth体育-官方网站华体会hth体育-官方网站,所以压电传感器的应用就非常广泛

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