随着手动化技术的进步,在工业设备中,不仅液柱式压力计、弹性式压力表外,目前更多的是采用可将压力转换成联通号的压力变送器和传感。这么这种压力变送器和传感是怎样将压力讯号转换为联通号的呢?不同的转换方法又有哪些特征呢?明天仪控君为你们汇总了目前常见的几种压力传感的检测原理,希望能对你们有所帮助。
一
压电压力传感
压电式压力传感主要基于压电效应(),借助电气器件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关检测工作的检测精密仪器,例如好多压力变送器和压力传感。压电传感不可以应用在静态的检测当中,缘由是遭到外力作用后的电荷,当回路有无限大的输入抗阻的时侯,才可以得以保存出来。并且实际上并不是这样的。因而压电传感只可以应用在动态的检测当中。它主要的压电材料是:乙酸二氢胺、酒石碘化钾钠和石英。压电效应就是在石英上发觉的。
当挠度发生变化的时侯,电场的变化很小很小,其他的一些压电晶体还会代替石英。酒石碘化钾钠,它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的,并且,它只可以使用在室外的温度和湿度都比较低的地方。乙酸二氢胺是一种人造晶体大气压强传感器原理,它可以在很高的温度和很高的体温的环境中使用,所以,它的应用是十分广泛的。随着技术的发展,压电效应也早已在多晶体上得到应用了。诸如:压电陶瓷,铌镁酸压电陶瓷、铌络合物系压电陶瓷和锰酸钡压电陶瓷等等都包括在内。
以压电效应为工作原理的传感,是机电转换式和自发电式传感。它的敏感器件是用压电的材料制做而成的,而当压电材料遭到外力作用的时侯,它的表面会产生电荷,电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗之后,才会被转换成为与所遭到的外力成反比关系的电量输出。它是拿来检测力以及可以转换成为力的非电化学量,比如:
加速度和压力。它有好多优点:重量较轻、工作可靠、结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。并且它也存在着个别缺点:有部份电流材料忌闷热,因而须要采取一系列的防霉举措,而输出电压的响应又比较差,那就要使用电荷放大器或则高输入阻抗电路来填补这个缺点,让仪器更好地工作。
二
压阻压力传感
压阻压力传感主要基于压阻效应()。压阻效应是拿来描述材料在遭到机械式挠度下所形成的内阻变化。不同于上述压电效应,压阻效应只形成阻抗变化,并不会形成电荷。
大多数金属材料与半导体材料都被发觉具有压阻效应。其中半导体材料中的压阻效应远小于金属。因为硅是现在集成电路的主要,以硅制做而成的压阻性器件的应用就显得十分有意义。的阻值变化不单是来自与挠度有关的几何形变,但是也来自材料本身与挠度相关的阻值,这促使其程度因子小于金属数百倍之多。N型硅的阻值变化主要是因为其一个导带谷对的位移所引起不同迁移率的导带谷间的载子重新分布,从而促使电子在不同流动方向上的迁移率发生改变。其次是因为来自与导带谷形状的改变相关的等效质量(mass)的变化。在P型硅中,此现象显得更复杂,并且也造成等效质量改变及电洞转换。
压阻压力传感通常通过引线接入惠斯登电桥中。平常敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零值),当传感受压后芯片内阻发生变化,电桥将丧失平衡。若给电桥加一个恒定电压或电流电源,电桥将输出与压力对应的电流讯号,这样传感的阻值变化通过电桥转换成压力讯号输出。电桥测量出阻值值的变化,经过放大后,再经过电流电压的转换,变换成相应的电压讯号,该电压讯号通过非线性校准支路的补偿,即形成了输入电流成线性对应关系的4~20mA的标准输出讯号。
为降低体温变化对芯体内阻值的影响,增强检测精度,压力传感都采用气温补偿举措使其零点甩尾、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
三
电容式压力传感
电容式压力传感是一种借助电容作为敏感器件,将被测压力转换成电容值改变的压力传感。这些压力传感通常采用方形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变型时,薄膜与固定电极之间产生的电容量发生变化,通过检测电路即可输出与电流成一定关系的联通号。电容式压力传感属于极距变化型电容式传感,可分为单电容式压力传感和差动电容式压力传感。
单电容式压力传感由方形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变型,进而改变电容器的容量,其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成反比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成正比。另一种型式的固定电极取凹形球面状,膜片为周边固定的张紧平面,膜片可用塑胶镀金属层的方法治成。这些型式易于检测低压,并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成检测高压的单电容式压力传感。这些型式可减少膜片的直接受压面积,便于采用较薄的膜片增强灵敏度。它还与各类补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起,便于增强抗干扰能力。这些传感易于检测动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感还有传声器式(即麦克风式)和听诊器式等型式。
差动电容式压力传感的受压膜片电极坐落两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量减小而另一个则相应减少,检测结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片遭到凹面的保护而不致断裂。差动电容式压力传感器器比单电容式的灵敏度高、线性度好,但加工较困难(非常是无法保证对称性),但是不能实现对被测二氧化碳或液体的隔离,因而不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。
四
电磁压力传感
多种借助电磁原理的传感合称,主要包括电感压力传感、霍尔压力传感、电涡流压力传感等。
电感压力传感
电感式压力传感的工作原理是因为磁性材料和磁导率不同,当压力作用于膜片时,气隙大小发生改变,气隙的改变影响线圈电感的变化,处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的讯号输出,进而达到检测压力的目的。该种压力传感按磁通变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感的优点在于灵敏度高、测量范围大;缺点就是不能应用于高频动态环境。
变磁阻式压力传感主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙产生了一个磁通。当有压力作用时,气隙大小改变,即磁阻发生了变化。若果在铁芯线圈上加一定的电流,电压会随着气隙的变化而变化,进而测出压力。
在磁路密度高的场合,铁磁材料的导磁率不稳定,这些情况下可以采用变磁导式压力传感检测。变磁导式压力传感用一个可联通的磁性器件取代铁芯,压力的变化造成磁性器件的联通,因而磁导率发生改变,由此得出压力值。
霍尔压力传感
霍尔压力传感是基于个别半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内,且有电流通过时,导体内的电载荷子遭到洛伦兹力而偏向一边,从而形成电流(霍尔电流)的现象。电流所导致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电流的极性,可否认导体内部的电压是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所导致。
在导体北外加与电压方向垂直的磁场,会促使导线中的电子遭到洛伦兹力而集聚,因而在电子集聚的方向上形成一个电场,此电场将会使后来的电子遭到电力作用而平衡掉磁场导致的洛伦兹力,致使后来的电子能顺利通过不会偏斜,此称为霍尔效应。而形成的内建电流称为霍尔电流。
当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频度的交变电动势,构建霍尔电动势的时间极短,故其响应频度高。理想霍尔器件的材料要求要有较高的内阻率及自旋迁移率,便于获得较大的霍尔电动势。常用霍尔器件的材料大都是半导体,包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料,N型硅的霍尔系数、温度稳定性和线性度均较好,多晶硅温漂小,目前应用。
电涡流压力传感
基于电涡流效应的压力传感。电涡流效应是由一个联通的磁场与金属导体相交,或是由联通的金属导体与磁场垂直交会馆形成。简而言之,就是电磁感应效应所导致。这个动作形成了一个在导体内循环的电压。
电涡流特点使电涡流检查具有零频度响应等特点,因而电涡流压力传感可用于静态力的检查。
五
振弦式压力传感
振弦式压力传感属于频度敏感型传感,这些频度检测具有想当高的确切度,由于时间和频度是能确切检测的化学量参数,并且频度讯号在传输过程中可以忽视线缆的内阻、电感、电容等诱因的影响。同时,振弦式压力传感还具有较强的抗干扰能力,零点甩尾小、温度特点好、结构简单、分辨率高、性能稳定大气压强传感器原理,易于数据传输、处理和储存,容易实现仪表数字化,所以振弦式压力传感也可以作为传感器技术发展的方向之一。
振弦式压力传感的敏感器件是拉紧的钢弦,敏感器件的固有频度与拉紧力的大小有关。弦的宽度是固定的,弦的震动频度变化量可拿来测算拉力的大小,即输入是力讯号,输出的是频度讯号。振弦式压力传感分为上下两个部份组成,上部预制构件主要是敏感器件组合体。下部预制构件是铝壳,包含一个电子模块和一个接线端子,分成两个小室放置,这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。
振弦式压力传感可以选择电压输出型和频度输出型。振弦式压力传感在运作式,振弦以其谐振频度不停震动,当检测的压力发生变化时,频度会形成变化,这些频度讯号经过转换器可以转换为4~20mA的电压讯号。