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传感器实训装置 常见压力传感器的原理分析与应用介绍-上  海茂育公


    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 ,压力传感器的种类有:应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器和压电压力传感器等多种 ,由于传感器的使用领域及其广泛 ,因 此各大院校对这一热门的领域都设有自己热射的专业 ,针对传感器的使用、认知与应用 ,使学生能够更好的掌握这一技能 ,我公司在原有的传感器实验一装置的基础上   ,做了更新与二次开发 ,使设备与时代无缝对接。下面我们针对几种常见的压力传感器进行简单的原理分析与应用介绍。
1、应变片压力传感器原理与应用
    力学
传感器的种类繁多 ,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器 ,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
    在了解压阻式力传感器时 ,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上  的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上   ,当基体受力发生应力变化时 ,电阻应变片也一起产生形变 ,使应变片的阻值发生改变 ,从而使加在电阻上  的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小 ,一般这种应变片都组成应变电桥 ,并通过后续的仪表放大器进行放大 ,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。
2、陶瓷压力传感器原理及应用
    抗腐蚀的陶瓷压力
传感器没有液体的传递 ,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(闭桥) ,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 / 3.3 mV/V等 ,可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定 ,传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性 ,传感器自带温度补偿0~70℃ ,并可以和绝大多数介质直接接触。
3、扩散硅压力传感器原理及应用
工作原理
    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 ,和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、蓝宝石压力传感器原理与应用
    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。
    蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成 ,不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚固 ,硬度更高 ,不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC以内) ,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极强;另外 ,硅-蓝宝石半导体敏感元件 ,无p-n漂移 ,因 此 ,从根本上  简化了制造工艺 ,提高了重复性 ,确保了高成品率。
    传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电 ,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出(0-5 ,4-20mA或0-5V)。在绝压压力
传感器和变送器中 ,蓝宝石薄片 ,与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起 ,起到了弹性元件的作用 ,将被测压力转换为应变片形变 ,从而达到压力测量的目的。
5、压电压力传感器原理与应用
    压电传感器中主要使用的压电材 料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体 ,压电效应就是在这种晶体中发现的 ,在一定的温度范围之内 ,压电性质一直存在 ,但温度超过这个范围之后 ,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低) ,所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数 ,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体 ,能够承受高温和相当高的湿度 ,所以已经得到了广泛的应用。
    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。
    压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度
传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用 ,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业 ,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力 ,也可以用来测量微小的压力。
    压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中 ,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的 ,因 为测量动态压力是如此普遍 ,所以压电传感器的应用就非常广泛。

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