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| 壓力傳感器的應(yīng)用與選型 | ||||||||
壓力傳感器主要用于檢測流體或固體的壓力，并能進(jìn)行信號遠(yuǎn)傳。它是工業(yè)實(shí)踐中zui為常用的一種傳感器，常常作為一種自動(dòng)化控制的前端元件，因此其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，包括石油化工、造紙、水處理、電力、船舶、機(jī)床和公用設(shè)備等行業(yè)。 壓力傳感器分類 壓力傳感器的類型非常多，目前應(yīng)用比較常見的包括壓阻式壓力傳感器和壓電式壓力傳感器兩種。 壓阻式壓力傳感器 壓阻式壓力傳感器的工作原理是當(dāng)壓敏電阻受壓后產(chǎn)生電阻變化，通過放大器放大并采用標(biāo)準(zhǔn)壓力標(biāo)定，即可進(jìn)行壓力檢測。壓阻式壓力傳感器的性能主要取決于壓敏元件（即壓敏電阻）、放大電路，以及生產(chǎn)中的標(biāo)定和老化工藝。 ● 應(yīng)變片 在目前的壓力傳感器封裝工藝中，通常可以將壓阻式敏感芯體做得體積小巧、靈敏度高，而且穩(wěn)定性好，并將壓敏電阻以惠司通電橋形式與應(yīng)變材料（通常為不銹鋼）結(jié)合在一起，（如圖1所示）這樣一來，就能確保壓阻式壓力傳感器過載能力強(qiáng)和抗沖擊壓力強(qiáng)。 該類傳感器適合測量高量程范圍的壓力變化，尤其在1Mpa以上時(shí)，線性很好，精度也很高，并適合測量與應(yīng)變材料兼容的各類介質(zhì)。 ● 陶瓷壓阻 在結(jié)構(gòu)上，該類傳感器將壓敏電阻以惠司通電橋形式與陶瓷燒結(jié)在一起（如圖2所示）。其過載能力較應(yīng)變片類低一些，抗沖擊壓力較差，但靈敏度較高，適合測量50Kpa以上的高量程范圍，而且耐腐蝕，溫度范圍也很寬。 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(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性、與激勵(lì)電壓也成正比的電壓信號，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。
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℃，而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度大于2kV，輸出信號強(qiáng)，長期穩(wěn)定性好。 ● 擴(kuò)散硅 與上述兩種結(jié)構(gòu)不同，擴(kuò)散硅采用在硅片上注入粒子形成惠司通電橋形式的壓敏電阻。被測介質(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，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測量信號。因此擴(kuò)散硅傳感器靈敏度和精度zui高，適合測量1kpa到40Mpa的壓力范圍。一般情況下，擴(kuò)散硅傳感器分為帶隔離膜片和非隔離膜片兩種，非隔離膜片只能測量干凈的氣體，隔離膜片為軟性膜片和剛性膜片，適合測量各種類型的介質(zhì)。 壓電式壓力傳感器 工作原理 壓電式傳感器是利用某些晶體的極化效應(yīng)，即當(dāng)晶體沿著一定方向受到機(jī)械力作用發(fā)生變形時(shí)，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機(jī)械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時(shí)候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)。
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、磷酸二氫胺、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，其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，磷酸二氫胺屬于人造晶體，而壓電陶瓷等則屬于多晶體。 特殊應(yīng)用 壓電壓力傳感器主要應(yīng)用在壓力和力等的測量中，比如在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用（圖4所示），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測量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。總之，它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 壓電式壓力傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電壓力傳感器制成的，因?yàn)闇y量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電壓力傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。 壓力傳感器的選型步驟 通常，壓力傳感器在使用中按照以下5個(gè)步驟進(jìn)行。 熟悉測量壓力類型 先確定系統(tǒng)中要確認(rèn)測量壓力的zui大值。一般而言，需要選擇一個(gè)具有比zui大值還要大1.5倍左右的壓力量程的變送器。尤其是在水壓測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動(dòng)，這種瞬間的峰值能破壞壓力傳感器，持續(xù)的高壓力值或稍微超出壓力傳感器的標(biāo)定zui大值會縮短傳感器的壽命。所以在選擇壓力傳感器時(shí)，要充分考慮壓力范圍、精度與其穩(wěn)定性。 了解壓力介質(zhì)類型
黏性液體會堵上壓力接口，溶劑或有腐蝕性的物質(zhì)會不會破壞傳感器中與這些介質(zhì)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(zhì)接觸的材料，比如在擴(kuò)散硅壓力傳感器選擇時(shí)需要注意隔離膜片。 掌握精度 決定壓力傳感器精度的有非線性、遲滯性、非重復(fù)性、零點(diǎn)偏置刻度、溫度等，但主要有非線性、遲滯性和非重復(fù)性三種。 確定溫度范圍 通常一個(gè)壓力傳感器會標(biāo)定兩個(gè)溫度范圍，即正常操作的溫度范圍和溫度可補(bǔ)償?shù)姆秶Ｕ２僮鳒囟确秶侵笁毫鞲衅髟诠ぷ鳡顟B(tài)下不被破壞的時(shí)候的溫度范圍，在超出溫度補(bǔ)償范圍時(shí)，可能會達(dá)不到其應(yīng)用的性能指標(biāo)。溫度補(bǔ)償范圍是一個(gè)比操作溫度范圍小的典型范圍。 弄清楚輸出信號 壓力傳感器有mV 、V、mA及頻率輸出和數(shù)字輸出等多種類型，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括壓力傳感器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“電氣噪聲”或其他干擾信號。 對于許多壓力傳感器和控制器間距較短的OEM設(shè)備，采用mA輸出的壓力傳感器是zui為經(jīng)濟(jì)而有效的解決方法。如果需要將輸出信號放大，采用具有內(nèi)置放大的變送器。對于遠(yuǎn)距離傳輸或存在較強(qiáng)的電子干擾信號，采用m*輸出或頻率輸出。 |
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