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压力传感器道理

日期:2019-10-14 12:04 来源:

  

压力传感器道理

  

压力传感器道理

  压力传感器原理简介 压力传感器技术原理 ? ? 机械式压力传感器: 液柱式包括水银柱和U型管,主要用于小 量程压力检测和压差检测,由于其简单可 靠和直观性,U型压差计至今仍在工业控制 中得到广泛应用。但由于其无法直接得到 电信号,且量程较小,限制了其在工业自 动控制中的应用。 金属螺旋管压敏元件和机械读数法 ? ? 当弹性金属螺旋管内充满流体时,流体压力的改 变会造成螺旋管的形变,从而制成压力敏感元件, 所用金属螺旋管称为布尔登管。其一端固定,一 端在压力作用下可自由伸缩,如自由端在压力下 的位移由齿轮系统放大后,带动压力表指针转动。 布尔登管压力计一般精度不高,最多只能到满量 程的0.1%,当被测压力在满量程下端时,误差更 大。同液柱式压力计,布尔登管也难以用于工业 自动控制系统。 弹性膜片压敏元件及其压力计 ? ? 弹性膜片是应用最广泛的压力敏感元件,不但机械式压力 传感器,也是各类电子式压力传感器的基础。 在均匀压力的作用下,一个周边固定半径为R的圆形金属 膜片的中心点在垂直于膜片平面方向的凹凸变形量Y0: ? ? Y0= E为材料杨氏模量,v为泊松比 为了进一步改善灵敏度和线性范围,膜片 可以设计成波纹状,下图 以上介绍的机械螺旋管、膜片和波纹鼓压 力敏感元件,配上机械传动的指针来显示 压力数值,其虽然可以直观地显示流体的 压力,但不能适应现代工业遥测和自动控 制的需要。 采用位移式传感器测量压力 ? ? 为了能将压力转换为电信号,机械式膜片 和波纹鼓动位移用电子位移传感器测出, 机械式压力计便成为可直接应用于现代工 业自动化系统中的电子类压力传感器。 如可变电势差压力传感器,其测量电路简 单,信号无需放大,但其体积大,动态响 应差,接点易磨损。 可变电势差压力传感器 线性差分变压 器非常适合测 量微小的位移, 可达亚微米级, 灵敏度极高, 而其两个输出 线圈构成一个 差分信号检测 电路,抗干扰 能力很强。但 其机械结构复 杂,体积大, 动态响应差。 电容式压力传感器 ? 膜片电容压力传感器是两个相互电绝缘的 有一定导电性的极板组成,可看成一标准 的平行板电容器,其中一个电极板是可在 外加压力的作用下产生形变的弹性膜片, 另一个极板固定在传感器的外壳上不会在 压力作用下变形。当压力变化引起检测极 板变形改变压力电容器极板间距,进而引 起电容量变化来检测压力变化。 电容式绝对压力传感器 ? 膜片电容压力传感器也可设计成差分式, 以提高灵敏度,稳定性和抗干扰能力。压 敏膜片是公用的极板,另外两个极板固定, 膜片两方压力不同,膜片的变形导致一侧 电容增加,另一侧电容下降,两个压力电 容与另外两个外接电容组合成交流电桥, 可以非常灵敏的测量两个压力电容的差值。 硅微加工电容式压力传感器 ? 其体积小,集成度高,成本低,静态和动 态性能良好,可大批量制造。其以半导体 硅为基板,首先形成氧化硅或氮化硅绝缘 层,再形成一层金属薄膜电极。电极的上 方是绝缘的氧化硅或氮化硅围成的空腔, 空腔上口是单晶硅、多晶硅或氮化硅弹性 膜片,膜片上表面为薄膜金属电极层。目 前硅微加工电容式压力传感器是应用最为 普遍的压力传感器之一。 基于压阻应变片的压力传感器 ? ? 在现代各类原理的压力传感器中,以压阻应变片 为基础的压力传感器是应用最广泛的两种类型中 的一种(另一种既是电容式压力传感器),此两 类原理有可分为粘贴应变片式压力传感器、薄膜 应变片式压力传感器、硅压阻压力传感器、厚膜 压阻压力传感器、硅电容压力传感器、厚膜电容 压力传感器。 各类应变片,如线绕式应变片、金属合金薄膜、 半导体厚膜或薄膜均可以和弹性膜片配合,制成 不同结构的压力传感器。 应变片技术原理 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 以线体导电丝为例,设其长度为L,截面积为A,电阻率为ρ,其电阻值可表示 为 R= 当导电丝沿长度受到应力影响发生应变时,其长度、截面积、电阻率均会有 微小的改变,电阻也因而改变。 压阻应变片一般是将压阻材料镀在绝缘材料极板上而成,对压阻材料的基本 要求如下: 线性度好,以便简化读出电路并提高检测精度; 灵敏度系数高,以便提高电信号的幅度,降低电路读出误差; 应变范围大,以便于增大应用范围; 电阻率高,以便减小应变传感器的尺寸并与测量电路相匹配(小电流); 滞后效应低,以便传感器能有很好的重复性和良好的响应; 温度系数低,可简化温度补偿的设计; 温度范围大,可在各种环境温度下使用; 化学稳定性强,不受环境因素的影响而变质,作长期高精度的测量; 疲劳寿命长,以便用来做动态应变测量。 ? 能满足以上条件的敏感材料并不存在,各 类应变片仅能满足特定的需求。金属合金 膜应变片其性能稳定、温度系数小、量程 宽,但其灵敏度系数低,信号较小。薄膜 半导体应变片具有较高的灵敏度系数,信 号很大,但温度系数高、稳定性差。陶瓷 厚膜应变片采用粉末烧结工艺制作,主要 应用于高温环境中。单晶硅制作的半导体 应变片其应变灵敏度特大,但其温度系数 也最大。 ? ? Ε= 膜片的边缘和圆心应变为最大值,是测量 应变的最有利位臵。 电阻丝压力传感器 ? 属于非粘贴类的压阻压力传感器。通过敏 感膜片的位移引起合金丝张力变化进而导 致电阻的变化。其体积大,制作一致性差, 温度引起合金丝张力变化导致零点漂移也 大。 贴片式应变压力传感器 ? 将微型应变片用粘合剂粘贴在弹性金属膜片表面, 通过测量其应变将压力转换成电信号。此技术很 适合于极端环境,如高温、高压、辐射。如将硅 应变片粘贴于金属弹性膜片上,则可大幅提高灵 敏度(金属合金电阻灵敏系数仅为2,而单晶硅灵 敏系数则可达200)。但此类结构压力传感器应用 中遇到的困难主要是热膨胀系数不同引起的温度 漂移、工作温度不宜超过80度和粘合剂塑性变形 导致响应恢复较慢。为了解决此问题,就发展了 薄膜应变压力传感器。 薄膜应变压力传感器 ? ? 薄膜式压阻压力传感器将压敏电阻直接沉 积在金属弹性膜片上,可以避免胶粘剂工 艺带来的麻烦,其制作工艺如下: 首先制备绝缘膜,金属弹性膜片上首先用 真空镀、离子溅射等方法形成一层金属氧 化物陶瓷或玻璃薄膜,然后用薄膜工艺在 绝缘膜上制作压阻薄膜,压阻薄膜材料用 合金或硅均可。最后将压阻薄膜用光刻或 等离子刻蚀成需要的图形。 压阻式硅微加工压力传感器 ? ? 以上压阻式压力传感器的体积均较大,加工困难,制作效率较低,成 本也较高。因而在硅微加工技术成熟时,压阻式硅微加工压力传感器 便成为压阻类压力传感器的主流。本结构压力传感器从硅片开始,用 化学或等离子刻蚀的方法形成很小的膜片及膜片下的空腔。弹性膜片 和压力空腔可采用同一片硅片,当然弹性膜片也可不用硅片而用机械 性能和化学稳定性更好的二氧化硅或氮化硅。此结构传感器最小可致 100微米,可大规模批量生产,成本很低。特别是将读出电路集成在 硅膜片的四周,省去了外部的读出电路(电路板和电缆),用半导体 工业生产线大规模生产时,对于减小传感器体积、提高性能和产品一 致性均有好处。 硅压阻的不足在于其压敏电阻和硅片本体有P-N效应,工作温度超过 150度时就不适用,另外硅的抗化学腐蚀的能力不如不锈钢和陶瓷膜 片,在高温或腐蚀性较强的环境便可采用陶瓷压阻或陶瓷电容式压力 传感器。

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