壓力變送器的原理

壓力變送器是工業實踐中最為（wéi）常用的一種傳感（gǎn）器，其（qí）廣泛應用（yòng）於各種工（gōng）業自控環境，涉及水利水電、鐵（tiě）路交通、智能建築（zhù）、生產自（zì）控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床（chuáng）、管道等眾多行業，下（xià）麵就簡單介紹一些（xiē）常（cháng）用壓力變送器的原理及其應用（yòng）



1、應變片壓力（lì）變送器原理與應用
力學（xué）傳感器（qì）的種類繁多，如電阻應（yīng）變（biàn）片壓力變送器、半（bàn）導體（tǐ）應變片壓（yā）力變送器、壓阻式壓力變送器、電感（gǎn）式壓力變送器、電容式（shì）壓（yā）力變送器、諧振式（shì）壓力變送器（qì）及（jí）電容式加速（sù）度傳（chuán）感器等。但（dàn）應（yīng）用（yòng）最為廣（guǎng）泛的是壓阻式（shì）壓（yā）力變送器，它具（jù）有極（jí）低的價格和較高的精（jīng）度（dù）以及較好的線性特性。下麵我們（men）主要介（jiè）紹這類傳感器。



在了（le）解壓（yā）阻式壓（yā）力變送（sòng）器（qì）時，我們首先認識一下電阻應變片這種元（yuán）件。電阻應（yīng）變（biàn）片（piàn）是一種（zhǒng）將被測件上的應變變（biàn）化轉（zhuǎn）換成為（wéi）一（yī）種電信號的敏感器件。它（tā）是壓阻（zǔ）式應變變送器（qì）的主（zhǔ）要組（zǔ）成部分之（zhī）一。電阻（zǔ）應變片應用最多的是金屬電阻應變片和（hé）半導體應變片兩種。金屬（shǔ）電阻（zǔ）應變片又有（yǒu）絲狀應變片和（hé）金屬箔（bó）狀應變片兩種。通常是將應變片（piàn）通過特殊的（de）粘和劑緊密的粘合（hé）在產生力學應變基體（tǐ）上（shàng），當基（jī）體受力發生應力變化時，電阻應（yīng）變片也一起產生（shēng）形（xíng）變，使應變片（piàn）的阻值發生（shēng）改變，從而使加在電（diàn）阻上的電壓發生變化（huà）。這種應變片在受力時產生的（de）阻（zǔ）值變化通常（cháng）較小，一（yī）般這種應變（biàn）片都（dōu）組成應變電橋，並通過後續的儀表放大器（qì）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（zhí）行機構。



金（jīn）屬電阻應變（biàn）片的內部結構（gòu）



如（rú）圖1所示，是電（diàn）阻應變片的結（jié）構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲（sī）或應變（biàn）箔、絕（jué）緣保護片和引出線等部分組成。根（gēn）據不同的用途，電阻應變（biàn）片（piàn）的阻（zǔ）值可以（yǐ）由（yóu）設計者（zhě）設計，但電阻的取（qǔ）值範圍應注意（yì）：阻值（zhí）太（tài）小，所（suǒ）需（xū）的（de）驅動電流（liú）太大，同時應變片的發熱（rè）致使本身的（de）溫度（dù）過高，不同的環境中（zhōng）使用，使應變片的阻（zǔ）值變（biàn）化太大，輸出零點（diǎn）漂移明顯（xiǎn），調零電路過於複雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁幹擾能（néng）力較差。一般（bān）均為幾十歐至幾十千歐左右。
電阻應變片（piàn）的工作原（yuán）理



金（jīn）屬電阻應變片的（de）工作（zuò）原理是吸附在基體材料（liào）上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的（de）現（xiàn）象（xiàng），俗稱為（wéi）電阻（zǔ）應變效應。金屬導（dǎo）體（tǐ）的電阻值可用下式表示：
式中：



ρ——金屬（shǔ）導（dǎo）體的電（diàn）阻率（Ω?cm2/m）
S——導（dǎo）體的截麵（miàn）積（cm2）
L——導體（tǐ）的長度（dù）（m）
我們以金屬（shǔ）絲應變電阻為例，當金（jīn）屬（shǔ）絲（sī）受外力作用（yòng）時，其長度和（hé）截麵積都（dōu）會發（fā）生變化，從上（shàng）式中（zhōng）可很容易看出，其（qí）電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而（ér）伸長時，其長度增（zēng）加，而截麵積減（jiǎn）少，電阻（zǔ）值便會增大。當金（jīn）屬絲（sī）受外力作用（yòng）而（ér）壓縮時，長度減小而截麵（miàn）增加，電阻值則會減小。隻（zhī）要測（cè）出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓（yā）），即可（kě）獲得應變金屬絲的應變情



2、陶（táo）瓷壓力變（biàn）送器原理及應用
抗腐蝕的（de）壓力變送器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷（cí）膜片的前表麵（miàn），使膜片（piàn）產（chǎn）生微（wēi）小（xiǎo）的形（xíng）變（biàn），厚膜電阻印刷（shuā）在陶瓷膜片的（de）背麵，連接（jiē）成一個惠斯通電（diàn）橋(閉橋)，由於壓敏電阻的（de）壓（yā）阻（zǔ）效應，使（shǐ）電（diàn）橋產生一（yī）個（gè）與壓力成正比（bǐ）的（de）高度線性（xìng）、與激勵（lì）電壓（yā）也成（chéng）正（zhèng）比的電壓信號，標準的信（xìn）號（hào）根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳感（gǎn）器相兼容。通過激光標定，傳感器具有很高的溫（wēn）度穩定性和時間穩定性，傳感器自（zì）帶（dài）溫度補償0～70℃，並可以和絕大多（duō）數介質直接（jiē）接觸。



陶瓷是一種公（gōng）認的高（gāo）彈性（xìng）、抗腐蝕、抗磨（mó）損、抗（kàng）衝擊（jī）和振（zhèn）動的材料。陶（táo）瓷的熱（rè）穩定特性及它的（de）厚膜（mó）電（diàn）阻可（kě）以使它的工作溫度範圍高達（dá）-40～135℃，而且具有（yǒu）測量的（de）高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號強，長（zhǎng）期穩定性好。高特性，低價（jià）格的（de）陶瓷傳（chuán）感器將是壓力變送器的發展方向，在歐美國家有全麵替（tì）代其它（tā）類型傳感器的趨勢，在中（zhōng）國也越（yuè）來（lái）越多（duō）的用戶使用陶（táo）瓷（cí）傳感器替代擴散矽壓（yā）力變送（sòng）器。



3、擴散矽（guī）壓（yā）力變送器原理及應用



工作原理



被測介質的（de）壓力直（zhí）接作用於傳感（gǎn）器的膜片上（不鏽鋼或陶瓷（cí）），使膜片產生與（yǔ）介質壓力（lì）成正比的微位移，使傳感（gǎn）器的電阻值（zhí）發生變化（huà），和用電子線路（lù）檢測這一變化，並轉換輸出一（yī）個對應於這一壓力的標（biāo）準測量信號。



4、藍寶石壓力變（biàn）送器原理與應用



利用應（yīng）變電阻式工作原理，采用矽-藍寶石作為半導體敏感（gǎn）元件（jiàn），具有（yǒu）無與倫比（bǐ）的計量特（tè）性。



藍寶石係（xì）由單晶體（tǐ）絕緣體元素組成，不會發生滯後、疲勞和蠕變（biàn）現象；藍寶石比矽要堅固，硬度（dù）更（gèng）高，不（bú）怕形變；藍寶石有著非常好的（de）彈性和（hé）絕（jué）緣特性（1000 OC以內（nèi）），因此（cǐ），利用矽-藍寶（bǎo）石（shí）製造的半導（dǎo）體敏感（gǎn）元件，對溫度變化（huà）不敏感，即使在高溫條件下，也有（yǒu）著（zhe）很好的工作特性；藍寶石的抗（kàng）輻射特性極強；另外，矽（guī）-藍寶石半導體敏（mǐn）感元件，無p-n漂移（yí），因此，從根本上簡（jiǎn）化了製造工（gōng）藝，提（tí）高了重複性，確保了高（gāo）成品（pǐn）率。



用矽（guī）-藍寶石半導體敏（mǐn）感元件製造（zào）的壓（yā）力傳感器和變（biàn）送器，可在最惡劣的工作條件（jiàn）下正常工作，並且可靠性高、精度（dù）好、溫度誤差極小、性價比高。



表壓壓力傳感器和壓（yā）力變送器由（yóu）雙膜片構成（chéng）：鈦合金測量膜片和鈦合金接（jiē）收膜（mó）片。印（yìn）刷有異質（zhì）外延性應變靈敏電（diàn）橋電路的藍寶石（shí）薄片，被（bèi）焊（hàn）接在鈦合金測量膜片上。被測壓力（lì）傳送到接收膜（mó）片（piàn）上（接收膜片與測（cè）量膜片之間用（yòng）拉杆（gǎn）堅固的連（lián）接在一（yī）起（qǐ））。在壓力的作（zuò）用下，鈦合金接收膜片產（chǎn）生形變，該形（xíng）變被矽（guī）-藍（lán）寶石敏感元（yuán）件（jiàn）感（gǎn）知（zhī）後，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與被測壓力成（chéng）正比。



傳感器的電路能夠保證應（yīng）變電橋電路的供電，並將應變電（diàn）橋的失衡信（xìn）號轉換為統（tǒng）一的電信號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和壓力變送器中，藍寶石薄片（piàn），與（yǔ）陶瓷基極（jí）玻（bō）璃焊料連接在一起（qǐ），起到了（le）彈性元件的作用，將被（bèi）測壓力轉換為應變片（piàn）形變，從而達到壓力測量的（de）目的。



5、壓電壓力傳感器原理與應用



壓電傳感（gǎn）器中主要使用的壓電材（cái）料包括有（yǒu）石英、酒石酸鉀（jiǎ）鈉和（hé）磷酸二（èr）氫（qīng）胺。其中石英（yīng）（二氧化（huà）矽（guī））是（shì）一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發（fā）現的，在一定（dìng）的溫度範圍（wéi）之內，壓電性質（zhì）一直存在（zài），但溫度超過這個範圍之後，壓電性質完全消失（這個高溫（wēn）就是所（suǒ）謂的“居裏點（diǎn）”）。由於隨著應力的變化電（diàn）場變（biàn）化微（wēi）小（xiǎo）（也就說壓（yā）電係數比較低），所以石英（yīng）逐（zhú）漸被其他的壓電晶體所替代（dài）。而酒石酸鉀鈉具（jù）有很大（dà）的壓電（diàn）靈敏度和壓電係（xì）數，但（dàn）是（shì）它隻能在室溫和（hé）濕（shī）度比較低（dī）的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬於人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所（suǒ）以已經得到（dào）了廣泛的（de）應用。



現在壓電效（xiào）應也應用在（zài）多晶體上，比如（rú）現在的壓電陶瓷（cí），包（bāo）括鈦酸鋇壓電（diàn）陶瓷、PZT、铌酸（suān）鹽係（xì）壓電（diàn）陶瓷、铌鎂酸鉛壓（yā）電陶瓷（cí）等等。

壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理（lǐ），壓電傳（chuán）感器不能用於靜態測量，因為經過外（wài）力作用後的電荷（hé），隻有在（zài）回路（lù）具有無限大的輸入（rù）阻抗時才得（dé）到（dào）保存。實際的（de）情況不是這樣的，所以這（zhè）決定（dìng）了壓電傳感器隻能夠測量（liàng）動態的應力。



壓電傳感器主要應用在加速度（dù）、壓力（lì）和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單（dān）、體積（jī）小、重量輕、使用壽命（mìng）長等優（yōu）異的特（tè）點。壓電式加（jiā）速度傳（chuán）感器在飛機、汽車、船（chuán）舶（bó）、橋梁和建築的振動和衝擊（jī）測量中（zhōng）已經（jīng）得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中（zhōng）更有它（tā）的特殊地位（wèi）。壓電式傳感器（qì）也（yě）可以用來測量發動機內部燃燒壓力（lì）的（de）測量與真空度的測量。也（yě）可以（yǐ）用（yòng）於（yú）軍事工業，例如（rú）用它來測量槍炮子彈（dàn）在膛中擊發的一瞬間（jiān）的膛壓的（de）變化和（hé）炮口的衝擊波壓力。它既可以（yǐ）用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。



壓電（diàn）式（shì）傳感器也廣泛應用在生物（wù）醫學測量中（zhōng），比（bǐ）如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器（qì）製成的，因為測量（liàng）動態壓力是如此普遍，所以壓（yā）電傳感（gǎn）器的（de）應用就（jiù）非常廣泛。