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壓力傳感器的種類以及工作原理

更新時間:2022-07-05 點擊次數(shù):2717
  壓力傳感器的種類繁多,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、諧振式壓力傳感器等。
  目前應(yīng)用較為廣泛的壓力傳感器有:擴散硅壓阻式壓力傳感器、陶瓷壓阻壓力傳感器、濺射薄膜壓力傳感器、電容壓力傳感器、耐高溫特性的藍寶石壓力傳感器。但應(yīng)用尤為廣泛的是壓阻式壓力傳感器,它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性
  壓阻式壓力傳感器
  這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi),引出電極引線。 提到壓阻式傳感器,首先得講到它的原理——壓阻效應(yīng)。
  壓阻效應(yīng)是用來描述材料在受到機械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。不同于壓電效應(yīng),壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化,并不會產(chǎn)生電荷。
  陶瓷壓力傳感器
  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表面,使膜片產(chǎn)生微小的形變,厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面,連接成一個惠斯通電橋(閉橋),由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng),使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓信號,標(biāo)準(zhǔn)的信號根據(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)定性和時間穩(wěn)定性,傳感器自帶溫度補償0 ~70℃,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。
  陶瓷是一種*的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。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-40 ~135 ℃,而且具有測量的高精度、高穩(wěn)定性。電氣絕緣程度2kV,輸出信號強,長期穩(wěn)定性好。
  壓電式壓力傳感器
  壓電式壓力傳感器原理基于壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象,同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當(dāng)外力去掉后,它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時,電荷的極性也隨之改變。相反,當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場,這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形,電場去掉后,電介質(zhì)的變形隨之消失,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。
  壓電式壓力傳感器的種類和型號繁多,按彈性敏感元件和受力機構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上,由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件,再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關(guān)系的電信號。這種傳感器的特點是體積小、動態(tài)特性好、耐高溫等?,F(xiàn)代測量技術(shù)對傳感器的性能出越來越高的要求。
  電阻應(yīng)變式壓力傳感器
  將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件特定表面上,當(dāng)力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用于彈性元件時,會導(dǎo)致元件應(yīng)力和應(yīng)變的變化,進而引起電阻應(yīng)變片電阻的變化。電阻的變化經(jīng)電路處理后的以電信號的方式輸出,這就是電阻應(yīng)變片傳感器的工作原理。
  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,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)行機構(gòu)。
  電感式壓力傳感器
  電感式壓力傳感器是用電感線圈電感量變化來測量壓力的儀表。
  常見的有氣隙式和差動變壓器式兩種結(jié)構(gòu)形式。氣隙式的工作原理是被測壓力作用在膜片上使之產(chǎn)生位移,引起差動電感線圈的磁路磁阻發(fā)生變化,這時膜片距磁心的氣隙一邊增加,另一邊減少,電感量則一邊減少.另一邊增加,由此構(gòu)成電感差動變化,通過電感組成的電橋輸出一個與被測壓力相對應(yīng)的交流電壓。具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,適宜在有振動或沖擊的環(huán)境中使用。
  電容式壓力傳感器
  電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。特點是,低的輸入力和侏儒能量,高動態(tài)響應(yīng),小的自然效應(yīng),環(huán)境適應(yīng)性好。
  它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極,當(dāng)薄膜感受壓力而變形時,薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化,通過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電容式壓力傳感器。

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