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几种常见压力传感器的测量原理了解一下

发布日期:2020-06-14 02:41

  自动化技术的进步带动了工业设备的更新换代。除了液柱式压力计、弹性式压力表外,工业设备中采用更多的是可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢?

  基于压电效应(Piezoelectric effect),利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作的测量精密仪器。压电传感器只可以应用在动态测量当中。主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。随着技术的发展,压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如:压电陶瓷,铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。

  以压电效应为工作原理的传感器是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电材料制作而成的。当压电材料受到外力作用时表面会形成电荷,电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后,就会被转换成为与所受外力成正比关系的电量输出。它用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量,例如:加速度和压力。

  缺点是:有部分电压材料忌潮湿,因此需要采取一系列的防潮措施;而输出电流响应又比较差,就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。

  压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。由于硅是现今集成电路的主要材料,以硅制作而成的压阻元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变,而且也来自材料本身与应力相关的电阻,这使得其程度因子大于金属数百倍之多。

  压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零位),当传感器受压后芯片电阻发生变化,电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源,电桥将输出与压力对应的电压信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化,经过放大后,再经过电压电流的转换,变换成相应的电流信号,该电流信号通过非线性校正环路的补偿,即产生了与输入电压成线mA标准输出信号。

  为减小温度变化对芯体电阻值的影响,提高测量精度,压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

  利用电容作为敏感元件,将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

  单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,从而改变电容器的容量,其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比,而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状,膜片为周边固定的张紧平面,膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压,并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积,以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起,以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。

  差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好,但加工较困难(特别是难以保证对称性),而且不能实现对被测气体或液体的隔离,因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

  利用电磁原理的传感器统称为电磁压力传感器,主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。

  电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同,当压力作用于膜片时,气隙大小发生改变,气隙的改变影响线圈电感的变化,处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出,从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大;缺点就是不能应用于高频动态环境。

  变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时,气隙大小改变,即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压,电流会随着气隙的变化而变化,从而测出压力。

  在磁通密度高的场合,铁磁材料的导磁率不稳定,这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯,压力的变化导致磁性元件的移动,从而磁导率发生改变,由此得出压力值。

  霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内,且有电流通过时,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。

  在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

  当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频率的交变电动势,建立霍尔电动势的时间极短,故其响应频率高。常用霍尔元件的材料大都是半导体,包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料。

  基于电涡流效应,由一个移动的磁场与金属导体相交,或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之,就是电磁感应造成的。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性,因此电涡流压力传感器可用于静态力检测。

  振弦压力传感器属于频率敏感型传感器,这种频率测量具有想当高的准确度,因为时间和频率是能准确测量的物理量参数,而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时,振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力,零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定,便于数据传输、处理和存储,容易实现仪表数字化,所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

  振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦,敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的,弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小,即输入的是力信号,输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成,下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳,包含一个电子模块和一个接线端子,分成两个小室放置,这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

  振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式,振弦以其谐振频率不停振动,当测量的压力发生变化时,频率会产生变化,这种频率信号经过转换器转换为4~20mA的电流信号。

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