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不同种类的压力传感器的特点

作者/出处: 网络 发布时间: 2017-05-02

压力传感器的种类繁多,如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器,光纤压力传感器等。

一.应变式压力传感器

应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的,应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体,其阻值随压力所产生的应变而变化。

按弹性敏感元件结构的不同,应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式、组合式四种。

①应变管式又称应变筒式。它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒,其另一端带有法兰与被测系统连接(图1)。在筒壁上贴有2片或4片应变片,其中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。当没有压力时 4片应变片组成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时,圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。


②膜片式它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。膜片受压力变形时,中心处径向应变和切向应变均达到正的最大值,而边缘处径向应变达到负的最大值,切向应变为零。因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处,并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。采用圆形箔式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效果(图2)。这种传感器的非线性较显著。膜片式压力传感器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身,即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条,并采用周边固定结构制成的固态压力传感器(见压阻式传感器)。


压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。

压力传感器的种类繁多,如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器,光纤压力传感器等。

一、压阻式压力传感器

固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器,就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻,当硅膜片受压时,膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。

压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

1.压阻式压力传感器基本介绍:

压阻式传感器有两种类型:一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片,称为半导体应变片,因此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器,另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻,以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。

半导体应变式传感器   半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同,也是由弹性敏感元件等三部分组成,所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比,最突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍,输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录。此外,半导体应变片横向效应非常小,蠕变和滞后也小,频率响应范围亦很宽,从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展,用此技术与半导体应变片相结合,可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器,使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存在着很大的缺点,它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级,灵敏系数随温度变化较大它的应变—电阻特性曲线性较大,它的电阻值和灵敏系数分散性较大,不利于选配组合电桥等等。

扩散型压阻式传感器   扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料,取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。

利用半导体压阻效应,可设计成多种类型传感器,其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本型式。

硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片(硅杯)和引线等组成。硅膜片是核心部分,其外形状象杯故名硅杯,在硅膜上,用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻,经蒸镀金属电极及连线,接成惠斯登电桥再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔,另一侧是低压腔,通常和大气相连,也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时,膜片发生变形,产生应力应变,从而使扩散电阻的电阻值发生变化,电桥失去平衡,输出相对应的电压,其大小就反映了膜片所受压力差值。

2.压阻式压力传感器特点

压阻式压力传感器的特点是:灵敏度高,频率响应高;测量范围宽,可测低至10Pa的微压到高至60Mpa的高压;精度高,工作可靠,其精度可达±0.2%~0.02%;易于微小型化,目前国内生产出直径φ1.8~2mm的压阻式压力传感器。目前,应用最为广泛的压力传感器是压阻式压力传感。


3.压阻式压力传感器测量方法

硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路,相对的桥臂电阻对称布置,电阻变化时,电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。

如图4的压力测量放大电路中,R1~R4由压敏电阻构成的直流电桥,无力作用时,通过调节RP使直流桥输出电压为0。R5、R6为限流电阻。通过改变R7值可以改变放大倍数。输出电压信号如果要作为数字信号处理,则后续电路可接A/D转换电路。

     二.压电式压力传感器

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时,其内部将发生极化现象,而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后,它又会重新回到不带电的状态,此现象称为“压电效应”。

常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类,它们的压电机理并不相同,压电陶瓷是人造多晶体,压电常数比石英晶体高,但机械性能和稳定性不如石英晶体好。它们都具有较好特性,均是较理想的压电材料。

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系:

Q=kSp

式中 Q为电荷量;k为压电常数;S为作用面积;p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。

图3.1为一种压电式压力传感器的结构示意图。压电元件夹于两个弹性膜片之间,压电元件的一个侧面与膜片接触并接地,另一侧面通过引线将电荷量引出。被测压力均匀作用在膜片上,使压电元件受力而产生电荷。电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大,转换为电压或电流输出,输出信号与被测压力值相对应。

除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外,一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷,也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

更换压电元件可以改变压力的测量范围;在配用电荷放大器时,可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度;在配用电压放大器时,可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。


压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。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。

压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

三.电容式压力传感器

电容式压力传感器采用变电容测量原理,将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化,用测量电容的方法测出电容量,便可知道被测压力的大小。

在矩形的特殊弹性元件上,加工若干个贯通的圆孔,每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极,每个电极上贴有铜箔,构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。在力F作用下,弹性元件变形使极板间矩发生变化,从而改变电容量,如左图(电容式力传感器)所示。

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器  它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,从而改变电容器的容量,其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。压磁式压力传感器的原理,某些铁磁材料受到外力作用时,引起导磁率变化现象,称作压磁效应。其逆效应称作磁致伸缩效应。硅钢受压缩时,其导磁率沿应力方向下降,而沿应力的垂向增加;在受拉伸时,导磁率变化正好相反。




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