1、壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表限制中最為常用的一種傳感器,并廣泛應(yīng)用 于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、 石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè),下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用 傳感器原理及其應(yīng)用.力學(xué)傳感器的種類繁多,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.但應(yīng)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.下面我們主要介紹這類傳感器.1、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用：在了解壓阻式力傳感器時(shí),我們首先熟悉一下電阻應(yīng)變片這種

2、元件.電阻應(yīng)變 片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件.它是壓阻式 應(yīng)變傳感器的主要組成局部之一.電阻應(yīng)變片應(yīng)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. 通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上,當(dāng)基體 受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變, 從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化.這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常 較小,一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋,并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大, 再傳輸給處理電路通常是 A/D轉(zhuǎn)換和CPU顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu).1.1、金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

3、它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕 緣保護(hù)片和引出線等局部組成.根據(jù)不同的用途,電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè) 計(jì)者設(shè)計(jì),但電阻的取值范圍應(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)境中使用,使應(yīng)變片的阻值變化 太大,輸出零點(diǎn)漂移明顯,調(diào)零電路過于復(fù)雜.而電阻太大,阻抗太高,抗外 界的電磁干擾水平較差.一般均為幾十歐至幾十千歐左右.1. 2、電阻應(yīng)變片的工作原理：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料 上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(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示：式中：金屬導(dǎo)體白電阻率Q cm2/nS導(dǎo)體的截面積cm2L導(dǎo)體

4、白長(zhǎng)度項(xiàng)我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例,當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí),其長(zhǎng)度和截面積 都會(huì)發(fā)生變化,從上式中可很容易看出,其電阻值即會(huì)發(fā)生改變,假設(shè)金屬絲 受外力作用而伸長(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 絲受外力作用而壓縮時(shí),長(zhǎng)度減小而截面增加,電阻值那么會(huì)減小.只要測(cè)出加 在電阻的變化通常是測(cè)量電阻兩端的電壓,即可獲得應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變壓 力.2、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用：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外表,使膜片產(chǎn)生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶 瓷膜片的反面,連接成一個(gè)惠斯登電路閉橋,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、

5、與鼓勵(lì)電壓也成正比的電壓信號(hào),標(biāo)準(zhǔn) 的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為 2.0 / 3,0 / 3.3 mV/V 等,可以和應(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)間穩(wěn)定性,傳 感器自帶溫度補(bǔ)償070C,并與絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸.陶瓷是一種公認(rèn)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)-40135C,而且具有測(cè)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開展方向,在歐美國(guó)家有 全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì),在中國(guó)也越來越多的用戶使用陶瓷

6、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應(yīng)用：被測(cè)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(cè)這一變化,并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào).4、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用利用應(yīng)變電阻式工作原理,采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件,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)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán) 寶石比硅要鞏固,硬度更高,不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性1000 OC以內(nèi),因此,利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件,對(duì)溫度變化 不敏感,即使在高溫條件下,

7、也有著很好的工作特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外,硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件,無 p-n漂移,因此,從根本上簡(jiǎn)化了制 造工藝,提升了重復(fù)性,保證了高成品率.用硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器,可在最惡劣的工 作條件下正常工作,并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高.表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測(cè)量膜片和鈦合金接收膜 片.印刷有異質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石薄片,被焊接在鈦合金測(cè)量 膜片上.被測(cè)壓力傳送到接收膜片上接收膜片與測(cè)量膜片之間用拉桿鞏固的 連接在一起.在壓力的作用下,鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變,該形變被硅-藍(lán)寶石敏感元件感知后,其電橋輸出會(huì)發(fā)生變化,

8、變化的幅度與被測(cè)壓力成正比.傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電,并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn) 換為統(tǒng)一的電信號(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起,起到了彈性元件的作用, 將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變,從而到達(dá)壓力測(cè)量的目的.5、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用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, 在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過這個(gè)范圍之后,壓電 性質(zhì)完全消失這個(gè)高溫就是所謂的“居里點(diǎn).由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng) 變化微小

9、也就說壓電系數(shù)比擬低,所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代. 而灑石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比 較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)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,所以在一起.在壓力的作用下,鈦合金接收膜片產(chǎn)生形變,該形變 被硅-藍(lán)寶石敏感元件感知后,其電橋輸出會(huì)發(fā)生變化,變化的幅度與被測(cè)壓力 成正比.現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,比方壓電陶瓷,包括鈦酸鋼壓電陶 瓷、PZK鋰酸鹽系壓電陶瓷、花鎂酸鉛壓電陶瓷等等.壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理,壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè) 量,由于經(jīng)過外力作用后的電荷,只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(shí)才得到 保存.實(shí)際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng) 力.壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)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)單、體積小、重量輕、使用壽命 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、橋梁和建筑的振 動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的