压力传感器的工作原理

摘要 压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。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。

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。


传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量重,不能提供电学输出。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。


压力变送器常常在高温、低温、腐蚀、振动、冲击等环境中运行,在工作现场能否正常运行,不仅取决于产品的质量,也取决于优化的工程设计,合理的型号配置,以及正确的安装维护。压力变送器是流体行业中的关键原件,压力变送器主要应用在以下几个领域:


一、石油、石化、化工,与节流装置配套,提供准确的流量测量与控制。可测量管道和贮罐的压力和液位。


二、电力、城市煤气、其他公司事业,要求高稳定度和高精度的测量等场所。


三、纸浆和造纸,用于要求耐化学液体、耐腐蚀性液体之类的场所。


四、钢铁、有色金属、陶瓷,用于炉膛压力测量等要求高稳定性,高精度测量等场所,用于在严格控制(温度、湿度等)条件下要求稳定测量的场所。


五、机械、造船,用于严格控制高精度条件下要求稳定测量的场所。总体来说,压力变送器主要用来测量介质的压力以及液位。


基本原理:


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:


R=ρ。式中:ρ-金属导体的电阻率(Ω·/m);S-导体的截面积;L-导体的长度(m)。


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。


不同的压力传感器工作原理:


1、压阻式压力传感器:


电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。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。


2、陶瓷压力传感器:


陶瓷压力传感器基于压阻效应,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,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2.0/3.0/3.3mV/V等,可以和应变式传感器相兼容。


3、扩散硅压力传感器:


扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,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,利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。


4、蓝宝石压力传感器:


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。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强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。


5、压电式压力传感器:


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。


选用使用方法:


压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而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。


通常在选用的时候,需要具备以下几点常识:


1、品牌误区:认为国产的产品是不好用,甚至是不能用。


2、精度误区:在选择产品的时候,总以为精度是最重要的;其实从某个角度来说:稳定性比产品的精度更重要,精度选择应该是建立在高稳定性的基础上的。


3、追求廉价:物美价廉这是每个人希望看到的;但事实上,高品质的产品就决定了它的价格会相对的高一些。


4、选择合适的量程、合适的精度、合适安装方式、合适的输出方式。


在使用的时候也要对以下常识进行了解:


1、检查安装孔的尺寸、保持安装孔的清洁;


2、正确安装、选择恰当的位置;


3、仔细清洁、保持干燥;


4、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干扰;


5、防止压力过载;


压力传感器在国内的工业实践中广泛应用于各种工业自控环境,涉及众多行业,因此对其进行一个全面的了解是非常有必要的。

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