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壓力傳感器分類(lèi)及原理集錦

壓力傳感器(Pressure sensor):

能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置統稱(chēng)為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分,其結構型式多種多樣,常見(jiàn)的型式有應變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。采用壓力傳感器可以直接將被測壓力變換成各種形式的電信號,便于滿(mǎn)足自動(dòng)化系統集中檢測與控制的要求,因而在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。

壓力傳感器的類(lèi)型:

01應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器是一種通過(guò)測量各種彈性元件的應變來(lái)間接測量壓力的傳感器。根據制作材料的不同,應變元件可以分為金屬和半導體兩大類(lèi)。應變元件的工作原理基于導體和半導體的“應變效應”,即當導體和半導體材料發(fā)生機械變形時(shí),其電阻值將發(fā)生變化。

當金屬絲受外力作用時(shí),其長(cháng)度和截面積都會(huì )發(fā)生變化,其電阻值即會(huì )發(fā)生改變,假如金屬絲受外力作用而伸長(cháng)時(shí),其長(cháng)度增加,而截面積減少,電阻值便會(huì )增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時(shí),長(cháng)度減小而截面增加,電阻值則會(huì )減小。只要測出加在電阻兩端的電壓的變化,即可獲得應變金屬絲的應變情況。

02壓阻式壓力傳感器

壓阻壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后,電阻率發(fā)生變化,通過(guò)測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。它又稱(chēng)為擴散硅壓阻壓力傳感器,它不同于粘貼式應變計需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過(guò)硅膜片感受被測壓力的。

壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應(Piezoresistive effect)。壓阻效應是用來(lái)描述材料在受到機械式應力下所產(chǎn)生的電阻變化。不同于壓電效應,壓阻效應只產(chǎn)生阻抗變化,并不會(huì )產(chǎn)生電荷。

大多數金屬材料與半導體材料都被發(fā)現具有壓阻效應。其中半導體材料中的壓阻效應遠大于金屬。由于硅是現今集成電路的主要原料,以硅制作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。硅的電阻變化不單是來(lái)自與應力有關(guān)的幾何形變,而且也來(lái)自材料本身與應力相關(guān)的電阻,這使得其程度因子大于金屬數百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導帶谷對的位移所造成不同遷移率的導帶谷間的載子重新分布,進(jìn)而使得電子在不同流動(dòng)方向上的遷移率發(fā)生改變。其次是由于來(lái)自與導帶谷形狀的改變相關(guān)的等效質(zhì)量(effective mass)的變化。在P型硅中,此現象變得更復雜,而且也導致等效質(zhì)量改變及電洞轉換。

壓阻壓力傳感器一般通過(guò)引線(xiàn)接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒(méi)有外加壓力作用,電橋處于平衡狀態(tài)(稱(chēng)為零位),當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化,電橋將失去平衡。若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源,電橋將輸出與壓力對應的電壓信號,這樣傳感器的電阻變化通過(guò)電橋轉換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化,經(jīng)過(guò)放大后,再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉換,變換成相應的電流信號,該電流信號通過(guò)非線(xiàn)性校正環(huán)路的補償,即產(chǎn)生了輸入電壓成線(xiàn)性對應關(guān)系的4~20mA的標準輸出信號。

為減小溫度變化對芯體電阻值的影響,提高測量精度,壓力傳感器都采用溫度補償措施使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線(xiàn)性度、穩定性等技術(shù)指標保持較高水平。


03電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器是一種利用電容作為敏感元件,將被測壓力轉換成電容值改變的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極,當薄膜感受壓力而變形時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化,通過(guò)測量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器,可分為單電容式壓力傳感器和差動(dòng)電容式壓力傳感器。

單電容式壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構成。薄膜在壓力的作用下變形,從而改變電容器的容量,其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀,膜片為周邊固定的張緊平面,膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。這種型式適于測量低壓,并有較高過(guò)載能力。還可以采用帶活塞動(dòng)極膜片制成測量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積,以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補償和保護部以及放大電路整體封裝在一起,以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測量動(dòng)態(tài)高壓和對飛行器進(jìn)行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式(即話(huà)筒式)和聽(tīng)診器式等型式。

差動(dòng)電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個(gè)固定電極之間,構成兩個(gè)電容器。在壓力的作用下一個(gè)電容器的容量增大而另一個(gè)則相應減小,測量結果由差動(dòng)式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過(guò)載時(shí)膜片受到凹面的保護而不致破裂。差動(dòng)電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線(xiàn)性度好,但加工較困難(特別是難以保證對稱(chēng)性),而且不能實(shí)現對被測氣體或液體的隔離,因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質(zhì)的流體中。


04壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(Piezoelectric effect),利用電氣元件和其他機械把待測的壓力轉換成為電量,再進(jìn)行相關(guān)測量工作的測量精密儀器,比如很多壓力變送器和壓力傳感器。

壓電傳感器不可以應用在靜態(tài)的測量當中,原因是受到外力作用后的電荷,當回路有無(wú)限大的輸入抗阻的時(shí)候,才可以得以保存下來(lái)。但是實(shí)際上并不是這樣的。因此壓電傳感器只可以應用在動(dòng)態(tài)的測量當中。它主要的壓電材料是:磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應就是在石英上發(fā)現的。

當應力發(fā)生變化的時(shí)候,電場(chǎng)的變化很小很小,其他的一些壓電晶體就會(huì )替代石英。酒石酸鉀鈉,它是具有很大的壓電系數和壓電靈敏度的,但是,它只可以使用在室內的濕度和溫度都比較低的地方。磷酸二氫胺是一種人造晶體,它可以在很高的濕度和很高的溫度的環(huán)境中使用,所以,它的應用是非常廣泛的。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展,壓電效應也已經(jīng)在多晶體上得到應用了。例如:壓電陶瓷,鈮鎂酸壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷等等都包括在內。

壓電效應可分為:正壓電效應和逆壓電效應。

正壓電效應是指:當晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內部就產(chǎn)生電極化現象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷;當外力撤去后,晶體又恢復到不帶電的狀態(tài);當外力作用方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。

逆壓電效應是指對晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機械變形的現象,又稱(chēng)電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長(cháng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種基本形式。壓電晶體是各向異性的,并非所有晶體都能在這 5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應,但具有良好的厚度變形和長(cháng)度變形壓電效應。

05電感壓力傳感器

電磁壓力傳感器是多種利用電磁原理的傳感器統稱(chēng),主要包括電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、電渦流壓力傳感器等。

電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同,當壓力作用于膜片時(shí),氣隙大小發(fā)生改變,氣隙的改變影響線(xiàn)圈電感的變化,處理電路可以把這個(gè)電感的變化轉化成相應的信號輸出,從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種:變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、測量范圍大;缺點(diǎn)就是不能應用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。

變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個(gè)磁路。當有壓力作用時(shí),氣隙大小改變,即磁阻發(fā)生了變化。如果在鐵芯線(xiàn)圈上加一定的電壓,電流會(huì )隨著(zhù)氣隙的變化而變化,從而測出壓力。


在磁通密度高的場(chǎng)合,鐵磁材料的導磁率不穩定,這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個(gè)可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯,壓力的變化導致磁性元件的移動(dòng),從而磁導率發(fā)生改變,由此得出壓力值。

06霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器是基于某些半導體材料的霍爾效應制成的?;魻栃侵府敼腆w導體放置在一個(gè)磁場(chǎng)內,且有電流通過(guò)時(shí),導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而產(chǎn)生電壓(霍爾電壓)的現象。電壓所引致的電場(chǎng)力會(huì )平衡洛倫茲力。通過(guò)霍爾電壓的極性,可證實(shí)導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子(自由電子)之運動(dòng)所造成。

在導體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng),會(huì )使得導線(xiàn)中的電子受到洛倫茲力而聚集,從而在電子聚集的方向上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng),此電場(chǎng)將會(huì )使后來(lái)的電子受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛倫茲力,使得后來(lái)的電子能順利通過(guò)不會(huì )偏移,此稱(chēng)為霍爾效應。而產(chǎn)生的內建電壓稱(chēng)為霍爾電壓。

當磁場(chǎng)為一交變磁場(chǎng)時(shí),霍爾電動(dòng)勢也為同頻率的交變電動(dòng)勢,建立霍爾電動(dòng)勢的時(shí)間極短,故其響應頻率高。理想霍爾元件的材料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率,以便獲得較大的霍爾電動(dòng)勢。常用霍爾元件的材料大都是半導體,包括N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導體質(zhì)結構材料,N型硅的霍爾系數、溫度穩定性和線(xiàn)性度均較好,砷化鎵溫漂小,目前應用。

07電渦流壓力傳感器

基于電渦流效應的壓力傳感器。電渦流效應是由一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導體相交,或是由移動(dòng)的金屬導體與磁場(chǎng)垂直交會(huì )所產(chǎn)生。簡(jiǎn)而言之,就是電磁感應效應所造成。這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了一個(gè)在導體內循環(huán)的電流。

電渦流特性使電渦流檢測具有零頻率響應等特性,因此電渦流壓力傳感器可用于靜態(tài)力的檢測。


08振弦式壓力傳感器

振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器,這種頻率測量具有想當高的準確度,因為時(shí)間和頻率是能準確測量的物理量參數,而且頻率信號在傳輸過(guò)程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時(shí),振弦式壓力傳感器還具有較強的抗干擾能力,零點(diǎn)漂移小、溫度特性好、結構簡(jiǎn)單、分辨率高、性能穩定,便于數據傳輸、處理和存儲,容易實(shí)現儀表數字化,所以振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術(shù)發(fā)展的方向之一。

振弦式壓力傳感器的敏感元件是拉緊的鋼弦,敏感元件的固有頻率與拉緊力的大小有關(guān)。弦的長(cháng)度是固定的,弦的振動(dòng)頻率變化量可用來(lái)測算拉力的大小,即輸入是力信號,輸出的是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為上下兩個(gè)部分組成,下部構件主要是敏感元件組合體。上部構件是鋁殼,包含一個(gè)電子模塊和一個(gè)接線(xiàn)端子,分成兩個(gè)小室放置,這樣在接線(xiàn)時(shí)就不會(huì )影響電子模塊室的密封性。

振弦式壓力傳感器可以選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦式壓力傳感器在運作式,振弦以其諧振頻率不停振動(dòng),當測量的壓力發(fā)生變化時(shí),頻率會(huì )產(chǎn)生變化,這種頻率信號經(jīng)過(guò)轉換器可以轉換為4~20mA的電流信號。

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