| 词条 | 压力传感器 |
| 释义 | 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。 医用压力传感器(适用范围 结构规格 安装程序 药液填充 调零校准 使用禁忌) 传感器的应变特点(1、测量范围光精度高 2、性能稳定可靠，使用寿命长 3、频率响应特性极好) 工业压力传感器(实际应用 电阻应变片的工作原理 陶瓷式原理及应用 扩散硅式原理及应用 蓝宝石式原理与应用 压电式样原理与应用 结构 原则 市场) 简介压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以 已经得到了广泛的应用。在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。 除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。 工作原理半导体压电阻半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。 静电容量型压力传感器静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 （E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。 压力传感器的基本要点一、正确安装通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的，如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中，就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏，选择合适的工具加工安装孔，有利于控制安装孔的尺寸，另外，合适的安装扭矩有利于形成良好的密封，但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱，为防止这种现象发生，通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。 二、检查安装孔的尺寸如果安装孔的尺寸不合适，高温熔体压力传感器在安装过程中，其螺纹部分就很容易受到磨损，这不仅会影响设备的密封性能，而且使传感器不能充分发挥作用，甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B)，通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测，以做出适当的调整。 性能参数压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差异，如何选择较为适用的传感器，做到经济、合理。 1. 额定压力范围 额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。 2. 最大压力范围 最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2－3倍。 3. 损坏压力 损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。 4. 线性度 线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。 5.压力迟滞 为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。 6.温度范围 压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。 医用压力传感器适用范围用于对人体有创血压如动脉压、中心静脉压、肺动脉压、左冠状动脉压多种压力进行监测，直接获得血压这一生理参数，为临床对疾病的诊断、治疗和预后估计提供客观依据。 结构规格选用医用级聚碳酸脂、聚氯乙烯作为传感器主体及测压连接管的材料。 包装规格为CH-DPT-248、CH-DPT-248Ⅱ、CH-DPT-248Ⅲ。 安装程序1） 连接压力传感器系统前打开监护仪。 2） 采用消毒措施打开包装，确认所有的接口安全密封以及三通阀等辅件工作状态良好。 注意：连接接头时，不要拧得太紧。3） 旋塞阀的所有通口都应盖有孔的保护帽，直到传感器系统内注满肝素生理盐水溶液和排尽气泡后，才更换成无孔的保护帽。 4） 把压力传感器连接到监护仪上，按照监护仪说明把监护仪调零。 注意：a）如无法调零，请更换传感器重新调零；如果调零不成功，请检查电缆连线、监护仪等是否正常。b）在安装DPT-248Ⅱ、CH-DPT-248Ⅲ传感器时，要用颜色编码来鉴别血压类型：红色---动脉压；蓝色---中心静脉压；黄色---肺动脉压；绿色---左冠状动脉压；白色---其他。 5） 用肝素生理盐水冲洗管路，并排尽管路中的空气。 注意：管路不得有气泡残留。 6） 待所有管路中填充肝素生理盐水后，将传感器系统连接到人体。 药液填充1） 遵照医师说明，在一个密闭的输液袋中准备肝素生理盐水（通常是0.9%的生理盐水加一定体积的水成肝磷脂）。 2） 打开已消毒好的传感器包，核实所有的接头均是安全的且所有的三通阀旋纽均是在所期望的位置。 3） 将输液器插头插入输液袋中，打开流量调节器（滚动止流夹），轻轻挤压输液袋，同时挤压传感器冲洗阀，直到将所有空气都排出输液器及所有管路。 4） 关闭流量调节器（滚动止流夹），将输液器放入压力护套中并悬挂在距离病人约2英尺高的挂杆上。 注意：此时不要给输液袋加压。 5） 仔细检查系统中所有充入液体的部分，确认所有的气泡均已被排出。 6） 将输液袋加压到300mmHg，如果仍有气泡残留在系统中，挤压冲洗阀除去系统中所有的空气。 7） 将系统中三通阀的所有未使用的通道上的保护帽全部换成无孔保护帽。 8） 将传感器系统连接到病人身上，再次冲洗系统以便除去管路中的血液。 为避免冲洗时气泡或管路中的血液凝血回到患者，要确保管路中冲入液体并且允许少量血液通过导管回流的现象。 调零校准1） 建议将压力传感器及其三通阀置于腋中线水平，这个三通是用来通气和传感器调零的。 2） 核准三通阀上的保护帽为有孔的，将传感器与监护仪连接起来，并按照监护仪说明，将传感器在大气条件下调零。 3） 监护仪调零后，关闭三通阀与空气连通口，并盖上无孔保护帽。 4） 用方波检测系统的动力反应。动力反应测试应在冲洗管路、排尽气泡并与患者相连接调零和校准等一系列操作后实施。 注意：系统需要大约一分钟的平衡过程，然后施行小滴量检查冲洗阀是否良好，用肉眼观察是否有泄露。安装30分钟后要定期检查，确保输液袋压力正常、流量正常并无泄露。因任何小的泄露可能导致监护仪读数错误。 5）系统调零校准正常后，按需要进行动态监测。 使用禁忌对已知出血性疾病者应特别注意。 连续使用不得超过7天。 传感器的应变特点压力传感器的测量范围比电感式传感器大一倍，它不仅能检测金属目标，而且还能检测电介质，如纸、玻璃、木材和塑料等，甚至可以通过墙壁或纸壳进行检测。由于人体在低频下相当于电导体，因此也出现了用于人的颤抖测量和防盗报警。 在测量构件应变时，直接将应变片黏贴在构件上即可，但若要测量力、压力、加速度等信号，应先将这些物理量转变成应变，然后用应变片测量，比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换过程的原件通常称为弹性原件，因此，应变式传感器通常由弹性敏感原件和应变计两部分构成。 弹性敏感原件是传感器的核心部件，要求弹性原件弹性储能高，通常表示为弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器具有良好的机械加工和热处理性能，具有较强的抗压强度。受温度影响小等特性，正确选择弹性敏感原件及应变计桥路是提高应变式传感器的重要途径： 1、测量范围光精度高测力传感器可测0.01--1000000N的力，精度可达到0.05%FS以上;压力传感器可测0.1-1000000的压力，精度可达到0.1%FS。 2、性能稳定可靠，使用寿命长如称重式机械杠杆称，由于杠杆、刀口等部分互相摩擦产生损耗和变形，欲长期保持其精度是相当困难的，采用电阻应变式称重传感器制成的电子泵、汽车衡、轨道衡等，能在恶劣的环境条件下长期稳定工作。 3、频率响应特性极好压力传感器一般电阻应变计响应时间为0.01MS，半导体应变计可达到0.001MS如能在弹性原件上采取措施则由他们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。 工业压力传感器实际应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。 电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ） S ——导体的截面积（cm2 ） L ——导体的长度（m ） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度 增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增 加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。 （空侣网暖通专家提供） 陶瓷式原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 扩散硅式原理及应用工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 原理图 蓝宝石式原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计特性。 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅- 蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。 用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 表压压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。 （空侣网暖通专家提供） 压电式样原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 结构金属电阻应变片的内部结构 如图1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 原则现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。 在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。 2、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。 传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。 4、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。 但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5、稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。 在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。 6、精度 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。 对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。 市场咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。 一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。 目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。 应变片式原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。 内部结构它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m） S——导体的截面积（cm2） L——导体的长度（m） 我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情。 陶瓷式原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 压电式压力传感器压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。压电式压力传感器的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料，压电效应就是在它上面发现。目前比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃，是制造高温传感器的理想压电材料。 扩散硅式原理及应用被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 蓝宝石式原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。 用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。 压电式原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。 压力传感器的技术参数（以杰英特5000系列为例）量程 0~0.5Mpa/0~200Mpa 精度 ±0.25 %F·S 长期漂移 0.1% F·S 零点失调 ±1% F·S/ 满程失调 ±1% F·S/ 零点温漂 ±0.05% F·S /℃ 满程温漂 ±0.05% F·S /℃ 工作温度 -40℃ ~ +120 ℃ 存储温度 -40℃ ~ +120 ℃ 补偿温度 -20℃ ~ +85 ℃ 工作电压 9~36VDC 电流输出 4~20mA 毫伏输出 0~5VDC 绝缘电阻 100MΩ(50VDC) 介质兼容 316SS或304不锈钢 法兰规格 DN50 PN4.0 GB9116.7-8.8 &DN80 PN4.0 GB9116.7-8.8 常见故障压力传感器容易出现的故障主要有以下几种： 第一种是压力上去，变送器输也上不去。此种情况，先应检查压力接口是否漏气或者被堵住，如果确认不是，检查接线方式和检查电源，如电源正常则进行简单加压看输出是否变化，或者察看传感器零位是否有输出，若无变化则传感器已损坏，可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题； 第二种是加压变送器输出不变化，再加压变送器输出突然变化，泄压变送器零位回不去，很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因，传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器，加压时压力介质进不去，但在压力大时突然冲开密封圈，压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更换密封圈再试； 第三种是变送器输出信号不稳。这种故障有肯是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力，很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障；第四种是变送器与指针式压力表对照偏差大。出现偏差是正常的现象，确认正常的偏差范围即可； 最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小，变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向，安装固定后调整变送器零位到标准值。 八大发展趋势一、压力传感器产业化发展模式：要加速形成从传感器研究开发到大生产一条龙的产业化发展模式，走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路，使我国成为世界传感器的生产大国。 二、传感器产品结构向全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜，尤其要填补“空白”品种。 三、企业生产规模（年生产能力）向规模经济或适宜规模经济发展，量大面广的通用传感器的生产规模将以年亿只计，一些中档传感器的生产规模将以年产1000万只（含以上）计；而一些高档传感器和专用压力传感器的生产规模将以年产几十万只～几百万只计。 四、生产格局向专业化发展。专业化生产的内涵为：1.生产传感器门类少而精；2.专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品，以获得较高的市场占有率；3.各传感器企业的专业化合作生产。 五、传感器大生产技术向自动化发展。传感器的门类、品种繁多，所用的敏感材料各异，决定了传感器制造技术的多样性和复杂性，综观当前传感器工艺线的概况，多数工艺已实现单机自动化，但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难，有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人，予以突破。 六、压力传感器企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移。 七、企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展。 八、企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。 应变特点压力传感器的测量范围比电感式传感器大一倍，它不仅能检测金属目标，而且还能检测电介质，如纸、玻璃、木材和塑料等，甚至可以通过墙壁或纸壳进行检测。由于人体在低频下相当于电导体，因此也出现了用于人的颤抖测量和防盗报警。 在测量构件应变时，直接将应变片黏贴在构件上即可，但若要测量力、压力、加速度等信号，应先将这些物理量转变成应变，然后用应变片测量，比直接测量时多了一个转换过程，完成这种转换过程的原件通常称为弹性原件，因此，应变式传感器通常由弹性敏感原件和应变计两部分构成。 弹性敏感原件是传感器的核心部件，要求弹性原件弹性储能高，通常表示为弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器具有良好的机械加工和热处理性能，具有较强的抗压强度。受温度影响小等特性，正确选择弹性敏感原件及应变计桥路是提高应变式传感器的重要途径： 1、测量范围光精度高，测力传感器可测0.01--1000000N的力，精度可达到0.05%FS以上;压力传感器可测0.1-1000000的压力，精度可达到0.1%FS。 2、性能稳定可靠，使用寿命长，如称重式机械杠杆称，由于杠杆、刀口等部分互相摩擦产生损耗和变形，欲长期保持其精度是相当困难的，采用电阻应变式称重传感器制成的电子泵、汽车衡、轨道衡等，能在恶劣的环境条件下长期稳定工作。 3、频率响应特性极好。压力传感器一般电阻应变计响应时间为0.01MS，半导体应变计可达到0.001MS如能在弹性原件上采取措施则由他们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。 |
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