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壓力傳感器的工作原理,什么是壓力傳感器,壓力傳感器的接線方法

2017年04月26日 09:12 網絡整理 作者: 用戶評論(0

  什么是壓力傳感器

  壓力傳感器工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業,下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。另有醫用壓力傳感器。

  壓敏傳感器分為哪幾種類型:

  擴散硅壓力變送器DATA-52系列

  擴散硅壓力變送器DATA-52系列 性能指標:

  測量介質:液體或氣體(對不銹鋼殼體無腐蝕)

  量程:0-10MPa

  精度等級:0.1%FS、0.5%FS(可選)

  穩定性能:±0.05%FS/年;±0.1%FS/年

  輸出信號RS485、4~20mA(可選)

  過載能力:150%FS

  零點溫度系數:±0.01%FS/℃

  滿度溫度系數:±0.02%FS/℃防護等級:IP68

  環境溫度:-10℃~80℃

  存儲溫度:-40℃~85℃

  供電電源:9V~36V DC

  結構材料:外殼:不銹鋼1Cr18Ni9Ti

  密封圈:氟橡膠

  膜片:不銹鋼316L

  電纜:φ7.2mm聚氨酯專用電纜

  半導體電阻

  半導體壓電阻抗擴散壓力傳感器是在薄片表面形成半導體變形壓力,通過外力(壓力)使薄片變形而產生壓電阻抗效果,從而使阻抗的變化轉換成電信號。

  靜電容量型

  靜電容量型壓力傳感器,是將玻璃的固定極和硅的可動極相對而形成電容,將通過外力(壓力)使可動極變形所產生的靜電容量的變化轉換成電氣信號。 (E8Y的動作原理便是靜電容量方式,其他機種采用半導體方式)。

  常見的壓敏傳感器及其工作原理

  壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業,下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。

  1 、應變片壓力傳感器原理與應用

  力學傳感器的種類繁多,如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最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。下面我們主要介紹這類傳感器。

  在了解壓阻式力傳感器時,我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上,當基體受力發生應力變化時,電阻應變片也一起產生形變,使應變片的阻值發生改變,從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小,一般這種應變片都組成應變電橋,并通過后續的儀表放大器進行放大,再傳輸給處理電路(通常是A/D 轉換和CPU )顯示或執行機構。

  金屬電阻應變片的內部結構

  它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途,電阻應變片的阻值可以由設計者設計,但電阻的取值范圍應注意:阻值太小,所需的驅動電流太大,同時應變片的發熱致使本身的溫度過高,不同的環境中使用,使應變片的阻值變化太大,輸出零點漂移明顯,調零電路過于復雜。而電阻太大,阻抗太高,抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

  電阻應變片的工作原理

  金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象,俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示:

  式中:

  ρ——金屬導體的電阻率(Ω。cm2/m )

  S ——導體的截面積(cm2 )

  L ——導體的長度(m )

  我們以金屬絲應變電阻為例,當金屬絲受外力作用時,其長度和截面積都會發生變化,從上式中可很容易看出,其電阻值即會發生改變,假如金屬絲受外力作用而伸長時,其長度增加,而截面積減少,電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時,長度減小而截面增加,電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓),即可獲得

  應變金屬絲的應變情

  2 、陶瓷壓力傳感器原理及應用

  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,使電橋產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,標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定,傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性,傳感器自帶溫度補償0 ~70℃,并可以和絕大多數介質直接接觸。

  陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩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、高穩定性。電氣絕緣程度》2kV,輸出信號強,長期穩定性好。高特性,低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向,在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢,在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。

  3 、擴散硅壓力傳感器原理及應用

  工作原理被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷),使膜片產生與介質壓力成正比的微位移,使傳感器的電阻值發生變化,和用電子線路檢測這一變化,并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。

  4 、藍寶石壓力傳感器原理與應用

  利用應變電阻式工作原理,采用硅- 藍寶石作為半導體敏感元件,具有無與倫比的計量特性。

  藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成,不會發生滯后、疲勞和蠕變現象;藍寶石比硅要堅固,硬度更高,不怕形變;藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性(1000 OC 以內),因此,利用硅- 藍寶石制造的半導體敏感元件,對溫度變化不敏感,即使在高溫條件下,也有著很好的工作特性;藍寶石的抗輻射特性極強;另外,硅- 藍寶石半導體敏感元件,無p-n 漂移,因此,從根本上簡化了制造工藝,提高了重復性,確保了高成品率。

  用硅- 藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器,可在最惡劣的工作條件下正常工作,并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價比高。

  表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成:鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片,被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上(接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起)。在壓力的作用下,鈦合金接收膜片產生形變,該形變被硅- 藍寶石敏感元件感知后,其電橋輸出會發生變化,變化的幅度與被測壓力成正比。

  傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電,并將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出(0-5 ,4-20mA或0-5V)。在絕壓壓力傳感器和變送器中,藍寶石薄片,與陶瓷基極玻璃焊料連接在一起,起到了彈性元件的作用,將被測壓力轉換為應變片形變,從而達到壓力測量的目的。

  5 、壓電壓力傳感器原理與應用

  壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應就是在這種晶體中發現的,在一定的溫度范圍之內,壓電性質一直存在,但溫度超過這個范圍之后,壓電性質完全消失(這個高溫就是所謂的 “居里點”)。由于隨著應力的變化電場變化微小(也就說壓電系數比較低),所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數,但是它只能在室溫和濕度比較低的環境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當高的濕度,所以已經得到了廣泛的應用。

  現在壓電效應也應用在多晶體上,比如現在的壓電陶瓷,包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT 、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

  壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理,壓電傳感器不能用于靜態測量,因為經過外力作用后的電荷,只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態的應力。

  壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。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、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用,特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業,例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力,也可以用來測量微小的壓力。

  壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學測量中,比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的,因為測量動態壓力是如此普遍,所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。

  壓力傳感器普遍存在的誤差:

  在選擇壓力傳感器的時候我們要考慮他的綜合精度,而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響呢?其實造成傳感器誤差的因素有很多,下面我們注意說四個無法避免的誤差,這是傳感器的初始誤差。首先的偏移量誤差:由于壓力傳感器在整個壓力范圍內垂直偏移保持恒定,因此變換器擴散和激光調節修正的變化將產生偏移量誤差。其次是靈敏度誤差:產生誤差大小與壓力成正比。

  如果設備的靈敏度高于典型值,靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。如果靈敏度低于典型值,那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產生原因在于擴散過程的變化。第三是線性誤差:這是一個對壓力傳感器初始誤差影響較小的因素,該誤差的產生原因在于硅片的物理非線性,但對于帶放大器的傳感器,還應包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線,也可以是凸形曲線稱重傳感器。最后是滯后誤差:在大多數情形中,壓力傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計,因為硅片具有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。

  壓力傳感器的這個四個誤差是無法避免的,我們只能選擇高精度的生產設備,利用高新技術來降低這些誤差,還可以在出廠的時候進行一定的誤差校準,盡最大的可能來降低誤差以滿足客戶的需要。

  壓力傳感器的接線方法:

  壓力傳感器接線方式一般有兩線制、三線制、四線制,有的還有五線制的。

  壓力傳感器兩線制比較簡單,一般客戶都知道怎么接線,一根線連接電源正極,另一個線也就是信號線經過儀器連接到電源負極,這種是最簡單的,壓力傳感器三線制是在兩線制基礎上加了一個線,這根線直接連接到電源的負極,較兩線制麻煩一點。四線制壓力傳感器肯定是兩個電源輸入端,另外兩個是信號輸出端。四線制的多半是電壓輸出而不是4~20mA輸出,4~20mA的叫壓力變送器,多數做成兩線制的。壓力傳感器的信號輸出有些是沒有經過放大的,滿量程輸出只有幾十毫伏,而有些壓力傳感器在內部有放大電路,滿量程輸出為0~2V。至于怎么接到顯示儀表,要看儀表的量程是多大,如果有和輸出信號相適應的檔位,就可以直接測量,否則要加信號調整電路。五線制壓力傳感器與四線制相差不大,市面上五線制的傳感器也比較少。

  一般常用的是兩線制接線。所謂兩線制即電源、負載串聯在一起,有一公共點,而現場變送器與控制室儀表之間的信號聯絡及供電僅用兩根電線,這兩根電線既是電源線又是信號線。兩線制變送器由于信號起點電流為4mA.DC,為變送器提供了靜態工作電流,同時儀表電氣零點為4mA.DC,不與機械零點重合,這種“活零點”有利于識別斷電和斷線等故障。而且兩線制還便于使用安全柵,利于安全防爆。 有的儀表廠為了減小變送器的體積和重量、并提高抗干擾性能、減化接線,而把變送器的供電由220V.AC改為低壓直流供電,如電源從24V.DC電源箱取用,由于低壓供電就為負線共用創造了條件,這樣就有了三線制的變送器產品 所謂三線制就是電源正端用一根線,信號輸出正端用一根線,電源負端和信號負端共用一根線。其供電大多為24V.DC,輸出信號有4-20mA.DC,負載電阻為250Ω或者0-10mA.DC,負載電阻為0-1.5KΩ;有的還有mA和mV信號,但負載電阻或輸入電阻,因輸出電路形式不同而數值有所不同 由于各種變送器的工作原理和結構不同,從而出現了不同的產品,也就決定了變送器的兩線制、三線制、四線制接線形式。

  壓敏傳感器廣泛應用在哪些方面:

  壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業,下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。另有醫用壓力傳感器。

壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業,下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。另有醫用壓力傳感器。

  應用領域壓力傳感器主要應用于:增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機,壓縮機,空調制冷設備等領域。

  1、應用于液壓系統壓力傳感器在液壓系統中主要是來完成力的閉環控制。

  當控制閥芯突然移動時,在極短的時間內會形成幾倍于系統工作壓力的尖峰壓力。在典型的行走機械和工業液壓中,如果設計時沒有考慮到這樣的極端工況,任何壓力傳感器很快就會被破壞。需要使用抗沖擊的壓力傳感器,壓力傳感器實現抗沖擊主要有2種方法,一種是換應變式芯片,另一種方法是外接盤管,一般在液壓系統中采用第一種方法,主要是因為安裝方便。此外還有一個原因是壓力傳感器還要承受來自液壓泵不間斷的壓力脈動。

  2.應用于安全控制系統壓力傳感器在安全控制系統中經常應用,主要針對的領域是空壓機自身的安全管理系統。

  在安全控制領域有很多傳感器應用,壓力傳感器作為一種非常常見的傳感器,在安全控制系統中應用也不足為奇。  在安全控制領域應用一般從性能方面來考慮,從價格上的考慮,還有從實際操作的安全性方便性來考慮,實際證明選擇壓力傳感器的效果非常好。壓力傳感器利用機械設備的加工技術將一些元件以及信號調節器等裝置安裝在一塊很小的芯片上面。所以體積小也是它的優點之一,除此之外,價格便宜也是它的另一大優點。在一定程度上它能夠提高系統測試的準確度。在安全控制系統中,通過在出氣口的管道設備中安裝壓力傳感器來在一定程度上控制壓縮機帶來的壓力,這算是一定的保護措施,也是非常有效的控制系統。當壓縮機正常啟動后,如果壓力值未達到上限,那么控制器就會打開進氣口通過調整來使得設備達到最大功率。

  3.應用于注塑模具壓力傳感器在注塑模具中有著重要的作用。

  壓力傳感器可被安裝在注塑機的噴嘴、熱流道系統、冷流道系統和模具的模腔內,它能夠測量出塑料在注模、充模、保壓和冷卻過程中從注塑機的噴嘴到模腔之間某處的塑料壓力。

  4.應用于監測礦山壓力傳感器技術作為礦山壓力監控的關鍵性技術之一。

  一方面,我們應該正確應用已有的各種傳感器來為采礦行業服務;另一方面,作為傳感器廠家還要研制和開發新型壓力傳感器來適應更多的采礦行業應用。

  壓力傳感器有多種,而基于礦山壓力監測的特殊環境,礦用壓力傳感器主要有:振弦式壓力傳感器、半導體壓阻式壓力傳感器、金屬應變片式壓力傳感器、差動變壓器式壓力傳感器等。這些傳感器在礦產行業都有廣泛的應用,具體使用哪種傳感器還有根據具體的采礦環境進行選擇。5.應用于促進睡眠壓力傳感器本身無法促進睡眠,我們只是將壓力傳感器放在床墊地下,由于壓力傳感器具有高靈敏度,當人發生翻身、心跳以及呼吸等有關的動作時,傳感器會分析這一系列信息,去推斷睡眠人睡覺處于一個什么狀態,然后通過對傳感器的分析,收集傳感器的信號得到心跳和呼吸節奏等睡眠的數據,最后將所有數據處理譜成一首段的曲目,當然能將你一個晚上的睡眠壓縮成一首幾分鐘的音樂。

  6.應用于壓縮機,空調冷設備壓力傳感器常用于空氣壓力機,以及空調制冷設備。

  這類傳感器產品外形小巧、安裝方便、導壓口一般采用專用閥針式設計。性能注意藥液填充。

  1) 遵照醫師說明,在一個密閉的輸液袋中準備肝素生理鹽水(通常是0.9%的生理鹽水加一定體積的水成肝磷脂)。

  2) 打開已消毒好的傳感器包,核實所有的接頭均是安全的且所有的三通閥旋紐均是在所期望的位置。

  3) 將輸液器插頭插入輸液袋中,打開流量調節器(滾動止流夾),輕輕擠壓輸液袋,同時擠壓傳感器沖洗閥,直到將所有空氣都排出輸液器及所有管路。

  4) 關閉流量調節器(滾動止流夾),將輸液器放入壓力護套中并懸掛在距離病人約2英尺高的掛桿上。注意:此時不要給輸液袋加壓。

  5) 仔細檢查系統中所有充入液體的部分,確認所有的氣泡均已被排出。

  6) 將輸液袋加壓到300mmHg,如果仍有氣泡殘留在系統中,擠壓沖洗閥除去系統中所有的空氣。

  7) 將系統中三通閥的所有未使用的通道上的保護帽全部換成無孔保護帽。

  8) 將傳感器系統連接到病人身上,再次沖洗系統以便除去管路中的血液。為避免沖洗時氣泡或管路中的血液凝血回到患者,要確保管路中沖入液體并且允許少量血液通過導管回流的現象。

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( 發表人:易水寒 )

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