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壓力傳感器的選用
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛運(yùn)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能修建、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等很多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)略介紹一些常用傳感器原理及其運(yùn)用
1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與運(yùn)用
力學(xué)傳感器的品種繁復(fù)，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。但運(yùn)用最為廣泛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性特性。下面咱們首要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時(shí)，咱們首先認(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)變改動(dòng)轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的活絡(luò)器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的首要組成部分之一。電阻應(yīng)變片運(yùn)用最多的是金屬電阻應(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。一般是將應(yīng)變片通過特別的粘和劑緊密的粘合在發(fā)作力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)作應(yīng)力改動(dòng)時(shí)，電阻應(yīng)變片也一同發(fā)作形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)作改動(dòng)，然后使加在電阻上的電壓發(fā)作改動(dòng)。這種應(yīng)變片在受力時(shí)發(fā)作的阻值改動(dòng)一般較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表擴(kuò)大器進(jìn)行擴(kuò)大，再傳輸給處理電路（一般是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯現(xiàn)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體資料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。依據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值能夠由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值規(guī)模應(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高，不同的環(huán)境中運(yùn)用，使應(yīng)變片的阻值改動(dòng)太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于雜亂。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁攪擾才能較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
電阻應(yīng)變片的作業(yè)原理
金屬電阻應(yīng)變片的作業(yè)原理是吸附在基體資料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而發(fā)作阻值改動(dòng)的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表明：
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）
S——導(dǎo)體的截面積（cm2）
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）
咱們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力效果時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)作改動(dòng)，從上式中可很簡(jiǎn)略看出，其電阻值即會(huì)發(fā)作改動(dòng)，假設(shè)金屬絲受外力效果而伸長(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)金屬絲受外力效果而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只需測(cè)出加在電阻的改動(dòng)（一般是丈量電阻兩頭的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情
2、陶瓷壓力傳感器原理及運(yùn)用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接效果在陶瓷膜片的前外表，使膜片發(fā)作細(xì)小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的反面，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)，使電橋發(fā)作一個(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(hào)，規(guī)范的信號(hào)依據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，能夠和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)刻穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并能夠和絕大多數(shù)介質(zhì)直接觸摸。
陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振蕩的資料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻能夠使它的作業(yè)溫度規(guī)模高達(dá)-40～135℃，而且具有丈量的高精度、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，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國也越來越多的用戶運(yùn)用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。
3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及運(yùn)用
作業(yè)原理
被測(cè)介質(zhì)的壓力直接效果于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片發(fā)作與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)作改動(dòng)，和用電子線路檢測(cè)這一改動(dòng)，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的規(guī)范丈量信號(hào)。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與運(yùn)用
運(yùn)用應(yīng)變電阻式作業(yè)原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體活絡(luò)元件，具有無與倫比的計(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)作滯后、疲憊和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要鞏固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著十分好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因而，運(yùn)用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體活絡(luò)元件，對(duì)溫度改動(dòng)不活絡(luò)，即使在高溫條件下，也有著很好的作業(yè)特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體活絡(luò)元件，無p-n漂移，因而，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)體活絡(luò)元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的作業(yè)條件下正常作業(yè)，而且可靠性高、精度好、溫度差錯(cuò)極小、性價(jià)比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金丈量膜片和鈦合金接納膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變活絡(luò)電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金丈量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接納膜片上（接納膜片與丈量膜片之間用拉桿鞏固的連接在一同）。在壓力的效果下，鈦合金接納膜片發(fā)作形變，該形變被硅-藍(lán)寶石活絡(luò)元件感知后，其電橋輸出會(huì)發(fā)作改動(dòng)，改動(dòng)的幅度與被測(cè)壓力成正比。
傳感器的電路能夠確保應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為一致的電信號(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同，起到了彈性元件的效果，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，然后達(dá)到壓力丈量的意圖。
5、壓電壓力傳感器原理與運(yùn)用
壓電傳感器中首要運(yùn)用的壓電資料包含有石英、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，在一定的溫度規(guī)模之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)規(guī)模之后，壓電性質(zhì)徹底消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的改動(dòng)電場(chǎng)改動(dòng)細(xì)小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐步被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電活絡(luò)度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠運(yùn)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，所以現(xiàn)已得到了廣泛的運(yùn)用。
現(xiàn)在壓電效應(yīng)也運(yùn)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包含鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
壓電效應(yīng)是壓電傳感器的首要作業(yè)原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)丈量，因?yàn)橥ㄟ^外力效果后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的狀況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠丈量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。
壓電傳感器首要運(yùn)用在加速度、壓力和力等的丈量中。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)略、體積小、重量輕、運(yùn)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、船舶、橋梁和修建的振蕩和沖擊丈量中現(xiàn)已得到了廣泛的運(yùn)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特別地位。壓電式傳感器也能夠用來丈量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的丈量與真空度的丈量。也能夠用于軍事工業(yè)，例如用它來丈量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的改動(dòng)和炮口的沖擊波壓力。它既能夠用來丈量大的壓力，也能夠用來丈量細(xì)小的壓力。
壓力傳感器也廣泛運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)丈量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)檎闪縿?dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的運(yùn)用就十分廣泛。
1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與運(yùn)用
力學(xué)傳感器的品種繁復(fù)，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。但運(yùn)用最為廣泛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性特性。下面咱們首要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時(shí)，咱們首先認(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)變改動(dòng)轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的活絡(luò)器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的首要組成部分之一。電阻應(yīng)變片運(yùn)用最多的是金屬電阻應(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。一般是將應(yīng)變片通過特別的粘和劑緊密的粘合在發(fā)作力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)作應(yīng)力改動(dòng)時(shí)，電阻應(yīng)變片也一同發(fā)作形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)作改動(dòng)，然后使加在電阻上的電壓發(fā)作改動(dòng)。這種應(yīng)變片在受力時(shí)發(fā)作的阻值改動(dòng)一般較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表擴(kuò)大器進(jìn)行擴(kuò)大，再傳輸給處理電路（一般是A/D轉(zhuǎn)換和CPU）顯現(xiàn)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如圖1所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體資料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。依據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值能夠由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻的取值規(guī)模應(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高，不同的環(huán)境中運(yùn)用，使應(yīng)變片的阻值改動(dòng)太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于雜亂。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁攪擾才能較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
電阻應(yīng)變片的作業(yè)原理
金屬電阻應(yīng)變片的作業(yè)原理是吸附在基體資料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而發(fā)作阻值改動(dòng)的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表明：
式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω·cm2/m）
S——導(dǎo)體的截面積（cm2）
L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）
咱們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力效果時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)作改動(dòng)，從上式中可很簡(jiǎn)略看出，其電阻值即會(huì)發(fā)作改動(dòng)，假設(shè)金屬絲受外力效果而伸長(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)金屬絲受外力效果而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只需測(cè)出加在電阻的改動(dòng)（一般是丈量電阻兩頭的電壓），即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情
2、陶瓷壓力傳感器原理及運(yùn)用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接效果在陶瓷膜片的前外表，使膜片發(fā)作細(xì)小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的反面，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)，使電橋發(fā)作一個(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(hào)，規(guī)范的信號(hào)依據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，能夠和應(yīng)變式傳感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)刻穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度補(bǔ)償0～70℃，并能夠和絕大多數(shù)介質(zhì)直接觸摸。
陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振蕩的資料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性及它的厚膜電阻能夠使它的作業(yè)溫度規(guī)模高達(dá)-40～135℃，而且具有丈量的高精度、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，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國也越來越多的用戶運(yùn)用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。
3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及運(yùn)用
作業(yè)原理
被測(cè)介質(zhì)的壓力直接效果于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片發(fā)作與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)作改動(dòng)，和用電子線路檢測(cè)這一改動(dòng)，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的規(guī)范丈量信號(hào)。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與運(yùn)用
運(yùn)用應(yīng)變電阻式作業(yè)原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體活絡(luò)元件，具有無與倫比的計(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)作滯后、疲憊和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要鞏固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著十分好的彈性和絕緣特性（1000 OC以內(nèi)），因而，運(yùn)用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體活絡(luò)元件，對(duì)溫度改動(dòng)不活絡(luò)，即使在高溫條件下，也有著很好的作業(yè)特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體活絡(luò)元件，無p-n漂移，因而，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)體活絡(luò)元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的作業(yè)條件下正常作業(yè)，而且可靠性高、精度好、溫度差錯(cuò)極小、性價(jià)比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金丈量膜片和鈦合金接納膜片。印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變活絡(luò)電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金丈量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接納膜片上（接納膜片與丈量膜片之間用拉桿鞏固的連接在一同）。在壓力的效果下，鈦合金接納膜片發(fā)作形變，該形變被硅-藍(lán)寶石活絡(luò)元件感知后，其電橋輸出會(huì)發(fā)作改動(dòng)，改動(dòng)的幅度與被測(cè)壓力成正比。
傳感器的電路能夠確保應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為一致的電信號(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同，起到了彈性元件的效果，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，然后達(dá)到壓力丈量的意圖。
5、壓電壓力傳感器原理與運(yùn)用
壓電傳感器中首要運(yùn)用的壓電資料包含有石英、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，在一定的溫度規(guī)模之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)規(guī)模之后，壓電性質(zhì)徹底消失（這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的改動(dòng)電場(chǎng)改動(dòng)細(xì)小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐步被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電活絡(luò)度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠運(yùn)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，所以現(xiàn)已得到了廣泛的運(yùn)用。
現(xiàn)在壓電效應(yīng)也運(yùn)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包含鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
壓電效應(yīng)是壓電傳感器的首要作業(yè)原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)丈量，因?yàn)橥ㄟ^外力效果后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的狀況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠丈量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。
壓電傳感器首要運(yùn)用在加速度、壓力和力等的丈量中。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)略、體積小、重量輕、運(yùn)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、船舶、橋梁和修建的振蕩和沖擊丈量中現(xiàn)已得到了廣泛的運(yùn)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特別地位。壓電式傳感器也能夠用來丈量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的丈量與真空度的丈量。也能夠用于軍事工業(yè)，例如用它來丈量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的改動(dòng)和炮口的沖擊波壓力。它既能夠用來丈量大的壓力，也能夠用來丈量細(xì)小的壓力。
壓力傳感器也廣泛運(yùn)用在生物醫(yī)學(xué)丈量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)檎闪縿?dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的運(yùn)用就十分廣泛。
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