壓力變送器的（de）原理

壓力變送器是工業實（shí）踐中最為常用的一種（zhǒng）傳感器，其廣泛應用（yòng）於各種工業自控環境，涉及水利水（shuǐ）電（diàn）、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油（yóu）井（jǐng）、電力、船舶、機床（chuáng）、管道等眾多行業，下麵就簡單介紹一（yī）些常用壓力變送器的原理及其應用



1、應變片壓力變送器原理與應（yīng）用（yòng）
力學傳感器的種類繁多，如電阻應（yīng）變片壓力變送器、半導體應變片壓力變送器、壓阻式壓力變送器、電感式壓力變送（sòng）器、電容式壓力變送器、諧振（zhèn）式壓力變送器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣（guǎng）泛的是壓阻式壓（yā）力（lì）變送器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下麵我們主要介紹這類傳感器。



在（zài）了解壓阻式壓力變送器時，我們首先認（rèn）識一下電阻應變片這種（zhǒng）元件。電（diàn）阻（zǔ）應變片是一種將被測件上的應變變（biàn）化（huà）轉換成（chéng）為一種（zhǒng）電信號的敏感（gǎn）器（qì）件。它是壓阻式應（yīng）變變送器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻（zǔ）應（yīng）變片和（hé）半導體（tǐ）應變片兩種。金屬電阻應（yīng）變片又有絲（sī）狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應（yīng）變（biàn）片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生（shēng）力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應（yīng）變（biàn）片的阻值發生改（gǎi）變，從而使加在電阻上的電壓發（fā）生變化。這種應變片在受力時產生（shēng）的（de）阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，並通過後續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。



金屬電阻應變片的內部（bù）結構



如圖1所示，是電阻應變片（piàn）的結構示意圖，它（tā）由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可（kě）以由設計者設計，但電阻的取值範圍應注意（yì）：阻（zǔ）值太小（xiǎo），所需的驅（qū）動電流太（tài）大（dà），同時應變（biàn）片的發熱（rè）致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使（shǐ）應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零（líng）電路過於複雜。而電阻太大，阻抗（kàng）太高，抗外（wài）界的電磁幹擾能力較差。一般均為（wéi）幾十歐至幾十千歐（ōu）左右。
電阻應變片的工作（zuò）原理



金屬電阻應（yīng）變片的工作原理是吸附在基（jī）體材料上應變電阻（zǔ）隨機械形變而（ér）產生阻值（zhí）變化的現象，俗稱（chēng）為電阻應變效（xiào）應。金屬（shǔ）導體的電阻值可用下式表示：
式中：



ρ——金屬導體的電阻率（Ω?cm2/m）
S——導體的截麵積（jī）（cm2）
L——導（dǎo）體的長（zhǎng）度（m）
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受（shòu）外力作用時，其長度和截麵積都會發（fā）生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而（ér）伸長（zhǎng）時，其長度增加，而截麵積減少，電阻值便（biàn）會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減（jiǎn）小而截麵增加，電阻值則會（huì）減小。隻要測出加在電阻（zǔ）的變（biàn）化（通常是測量電阻兩端的電（diàn）壓），即（jí）可獲得應變金屬絲的應變情



2、陶瓷壓力變（biàn）送器原理及應用
抗腐（fǔ）蝕的壓力變送器沒有（yǒu）液體的傳遞，壓力直接作用在（zài）陶瓷膜片的前表麵，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷（shuā）在陶（táo）瓷（cí）膜（mó）片的背麵，連接成一個惠斯通電橋(閉橋)，由於壓敏電阻的壓阻效應（yīng），使電橋產生一個與壓力成正（zhèng）比的高度線性、與激勵電壓也成正比（bǐ）的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的（de）不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變（biàn）式傳感（gǎn）器相兼容（róng）。通過激光標（biāo）定，傳感（gǎn）器具有很高的溫度穩定性（xìng）和時間穩定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，並可以（yǐ）和絕大多數介質（zhì）直接接觸。



陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗衝擊（jī）和振動的材料。陶瓷（cí）的熱穩定（dìng）特性（xìng）及它（tā）的厚膜（mó）電阻可以使它的工作溫度範圍高達-40～135℃，而且具有測（cè）量的高精度、高穩定性（xìng）。電氣絕緣程（chéng）度>2kV，輸（shū）出信號強（qiáng），長期穩（wěn）定性好。高特性，低價格的陶（táo）瓷傳感器將是壓力變送器的發展方向，在歐美（měi）國家有全麵替（tì）代其它（tā）類型傳感器的趨（qū）勢，在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳（chuán）感器替代擴散矽壓力變送器。



3、擴散矽（guī）壓力變（biàn）送器原理（lǐ）及（jí）應用



工作原理



被測（cè）介質的壓力直接作用於傳（chuán）感器的膜片上（不鏽鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正（zhèng）比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和用電子線路檢（jiǎn）測這一變化，並轉換輸出一個對應於這一壓力的標準測量信號。



4、藍寶石壓力變（biàn）送器原理與應用



利用應變電阻式工作原理，采用矽（guī）-藍寶（bǎo）石作為半導體敏（mǐn）感元件，具有無與倫（lún）比的計量特性。



藍（lán）寶石係由單晶體絕（jué）緣體元素組成，不會發（fā）生滯後、疲勞和蠕變現象；藍寶石比矽要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和（hé）絕緣特性（1000 OC以內），因此（cǐ），利（lì）用矽-藍寶石製造的半導體（tǐ）敏感元件，對溫（wēn）度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有（yǒu）著很好的工作特性；藍寶（bǎo）石的抗輻（fú）射特性極強；另外，矽-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡（jiǎn）化了製造工藝，提高了重複性，確保了高成品率。



用（yòng）矽-藍寶石半導體敏感元件製造的壓（yā）力傳感器和變（biàn）送器，可在最惡劣的工作條件下（xià）正常工作，並且可靠（kào）性高、精度好（hǎo）、溫度誤差極小、性價比高。



表壓壓力傳感器和壓（yā）力變送（sòng）器由雙膜片（piàn）構成：鈦（tài）合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷（shuā）有異質外延性應變靈敏電橋電（diàn）路的藍寶石薄片（piàn），被焊接在鈦合（hé）金測量膜片上。被測壓（yā）力（lì）傳送到接收膜片上（接收膜片與測量（liàng）膜（mó）片之間用拉杆（gǎn）堅固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產生形變，該形變被矽（guī）-藍寶石敏感元件感知後，其電橋（qiáo）輸出會發生（shēng）變化，變（biàn）化的幅度與被測壓力成正比。



傳感器的電路能夠（gòu）保證應變電橋電路的供（gòng）電，並將應變電橋的（de）失衡信號轉換為統一的電（diàn）信（xìn）號輸（shū）出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕（jué）壓壓力傳感器和壓（yā）力變送器中，藍寶石薄片，與（yǔ）陶瓷基（jī）極玻璃焊料連接在一起，起到（dào）了彈性元件的（de）作用，將被測壓力轉（zhuǎn）換為應變片形變（biàn），從而達到壓力測（cè）量的目的（de）。



5、壓電壓力傳感器原理與應用



壓電傳感器中主要使用的壓（yā）電材料包括（kuò）有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺（àn）。其中石英（二氧化矽（guī））是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發（fā）現的，在（zài）一定的溫度範圍之（zhī）內，壓電性質一直存在，但溫度超過（guò）這個範圍之後，壓電性質完（wán）全消失（這個高溫就是所謂的“居裏點”）。由於隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓（yā）電係數比較低），所以（yǐ）石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀（jiǎ）鈉具有很大的壓電靈敏度（dù）和壓（yā）電係數，但是它隻（zhī）能在（zài）室溫和（hé）濕度比（bǐ）較低的環境下才能夠應用。磷（lín）酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和（hé）相當高的濕度，所以已（yǐ）經（jīng）得到了廣泛的應用。



現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷，包（bāo）括鈦酸鋇壓電陶瓷（cí）、PZT、铌（ní）酸鹽係壓電陶瓷、铌鎂酸鉛壓電陶（táo）瓷（cí）等等。

壓電效應是壓電傳感器的主要工作原（yuán）理（lǐ），壓電傳感器不能用於靜態測量，因為（wéi）經過外力作用後的電荷，隻有在回（huí）路具有無（wú）限大（dà）的輸入阻抗時才得到保存。實際的（de）情況不是這樣的，所以這決（jué）定了壓電傳感器隻能夠測量動態的應力。



壓電（diàn）傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感（gǎn）器（qì）是一種常（cháng）用的加速（sù）度計。它具有結構簡單、體（tǐ）積小、重（chóng）量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳（chuán）感器（qì）在飛機、汽車、船舶、橋梁和建築（zhù）的振動（dòng）和衝擊測量中已經（jīng）得到了廣（guǎng）泛的應用，特別是航空和宇航（háng）領域中更（gèng）有它的特殊地位。壓電式（shì）傳感器（qì）也可以用來測（cè）量發動機內部燃燒壓力的測量與（yǔ）真空度的測量。也可以用於軍事工業，例如（rú）用它來（lái）測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的衝擊波壓（yā）力。它既（jì）可以用來測量（liàng）大的壓力，也（yě）可以用來（lái）測（cè）量微小的壓力。



壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中，比如說（shuō）心室導管式微音器就是由壓（yā）電傳感器製成的，因為測量動態壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。