压力传感器的测量:几种常见压力传感器的测量原理了解一下

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压力传感器的测量:几种常见压力传感器的测量原理了解一下相关推荐视内和视外智能视觉传感器的划分与功能行人是路面上的高危群体。欧洲每年因交通事故受伤的行人超过15万人,致死的超过6000人。美国交通事故…发表于2018-06-2410:06?307次阅读物联网的发展趋势及传感器技术与应用

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压力传感器的测量:几种常见压力传感器的测量原理了解一下

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压力传感器的测量:压力传感器

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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。压力传感器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。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。
中文名
压力传感器
外文名
Pressure Transducer
输出信号
4-20ma、0-10V等
供 电
24VDC
材 质
316L
目录
1
重载型
2
分类
3
接线方法
4
工作原理
5
无法避免误差
6
安装问题
7
常用术语
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应用领域
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性能参数
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防腐技巧
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趋势
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原则
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原理应用
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种类
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认识
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作业方式
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关键作用
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内部结构
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基本原理
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应用
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保护
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分类
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压电式
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扩散硅式
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蓝宝石式
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压电传感器
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故障与检测
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常见故障
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零点漂移
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故障检测
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注意事项
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选用使用方法
压力传感器重载型
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重载压力传感器是传感器中一种,但是我们很少听说这种压力传感器,它通常被用于交通运输应用中,通过监测气动、轻载液压、制动压力、机油压力、传动装置、以及卡车/拖车的气闸等关键系统的压力、液力、流量及液位来维持重载设备的性能。重载压力传感器是一种具有外壳、金属压力接口以及高电平信号输出的压力测量装置。许多传感器配有圆形金属或塑料外壳,外观呈筒状,一端是压力接口,另一端是电缆或连接器。这类重载压力传感器常用于极端温度及电磁干扰环境。工业及交通运输领域的客户在控制系统中使用压力传感器,可实现对冷却液或润滑油等流体的压力测量和监控。同时,它还能够及时检测压力尖峰反馈,发现系统阻塞等问题,从而即时找到解决方案。重载压力传感器一直在发展,重载压力传感器为了能够用于更加复杂的控制系统,设计工程师必需提高传感器精度同时需要降低成本便于实际应用等要求。
压力传感器分类
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多传感器信息融合技术的基本原理就像人的大脑综合处理信息的过程一样,将各种传感器进行多层次、多空间的信息互补和优化组合处理,最终产生对观测环境的一致性解释。在这个过程中要充分地利用多源数据进行合理支配与使用,而信息融合的最终目标则是基于各传感器获得的分离观测信息,通过对信息多级别、多方面组合导出更多有用信息。这不仅是利用了多个传感器相互协同操作的优势,而且也综合处理了其它信息源的数据来提高整个传感器系统的智能化。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。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。扩散硅压力变送器扩散硅压力变送器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将感受到的液体或气体压力转换成标准的电信号对外输出,DATA-52系列扩散硅压力变送器广泛应用于供/排水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。
压力传感器
扩散硅压力变送器
性能指标:测量介质:液体或气体(对不锈钢壳体无腐蚀)量程:0-10MPa精度等级:0.1%FS、0.5%FS(可选)稳定性能:±0.05%FS/年;±0.1%FS/年输出信号:RS485、4~20mA(可选)过载能力:150%FS零点温度系数:±0.01%FS/℃满度温度系数:±0.02%FS/℃防护等级:IP68环境温度:-10℃~80℃存储温度:-40℃~85℃供电电源:9V~36V DC;结构材料:外壳:不锈钢1Cr18Ni9Ti密封圈:氟橡胶膜片:不锈钢316L电缆:φ7.2mm聚氨酯专用电缆半导体压电阻型半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力,通过外力(压力)使薄片变形而产生压电阻抗效果,从而使阻抗的变化转换成电信号。静电容量型静电容量型压力传感器,是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容,将通过外力(压力)使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 (E8Y的动作原理便是静电容量方式,其他机种采用半导体方式)。
压力传感器接线方法
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传感器的接线一向是客户采购过程咨询得最多的问题之一,很多客户都不知道传感器如何连线,其实各种传感器的接线方式基本都是一样的,压力传感器一般有两线制、三线制、四线制,有的还有五线制的。压力传感器两线制比较简单,一般客户都知道怎么接线,一根线连接电源正极,另一个线也就是信号线经过仪器连接到电源负极,这种是最简单的,压力传感器三线制是在两线制基础上加了一个线,这根线直接连接到电源的负极,较两线制麻烦一点。四线制压力传感器肯定是两个电源输入端,另外两个是信号输出端。四线制的多半是电压输出而不是4~20mA输出,4~20mA的叫压力变送器,多数做成两线制的。压力传感器的信号输出有些是没有经过放大的,满量程输出只有几十毫伏,而有些压力传感器在内部有放大电路,满量程输出为0~2V。至于怎么接到显示仪表,要看仪表的量程是多大,如果有和输出信号相适应的档位,就可以直接测量,否则要加信号调整电路。五线制压力传感器与四线制相差不大,市面上五线制的传感器也比较少。
[1]
螺纹类型压力传感器的螺纹有很多种,常见的有NPT、PT、G、M,都是管螺纹。NPT 是 National (American) Pipe Thread 的缩写,属於美国压力传感器标准的 60 度锥管螺纹,用于北美地区.国家标准可查阅 GB/T-1991PT 是 Pipe Thread 的缩写,是 55 度密封圆锥管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族,多用於欧洲及英联邦国家.常用於水及煤气管行业,锥度规定为 1:16。国家标准可查阅 GB/T7306-2000G 是 55 度非螺纹密封管螺纹,属惠氏压力传感器螺纹家族.标记为 G 代表圆柱螺纹。国家标准可查阅 GB/T7307-2001M 是公制普通螺纹,如M20*1.5表示直径为20mm,螺距为1.5,如客户无特殊要求,压力传感器一般为M20*1.5螺纹。另外螺纹中的1/4、1/2、1/8 标记是指螺纹尺寸的直径,单位是英寸。行内人通常用分来称呼螺纹尺寸,一寸等于8分,1/4 寸就是2分,如此类推。G 好像就是管螺纹的统称(Guan),55、60度的划分属于功能性的,俗称管圆。螺纹由一圆柱面加工而成。ZG俗称管锥,即螺纹由一圆锥面加工而成,一般的水管压力接头都是这样的,老国标标注为Rc公制螺纹用螺距来表示,美英制螺纹用每英寸内的螺纹牙数来表示,这是压力传感器螺纹最大的区别,公制螺纹是60度等边牙型,英制螺纹是等腰55度牙型,美制螺纹60度。公制螺纹用公制单位,美英制螺纹用英制单位。管螺纹主要用来进行压力管道的连接,其内外螺纹的配合紧密,压力传感器管螺纹有直管与锥管两种。公称直径是指所连接的压力管道直径,显然螺纹大径比公称直径大。 1/4,1/2,1/8是英制螺纹的公称直径,单位是英寸。
压力传感器工作原理
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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
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。
压力传感器无法避免误差
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在选择压力传感器的时候我们要考虑他的综合精度,而压力传感器的精度受哪些方面的影响呢?其实造成传感器误差的因素有很多,下面我们注意说四个无法避免的误差,这是传感器的初始误差。首先的偏移量误差:由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定,因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。其次是灵敏度误差:产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值,灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值,那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。第三是线性误差:这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素,该误差的产生原因在于硅片的物理非线性,但对于带放大器的传感器,还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线,也可以是凸形曲线称重传感器。最后是滞后误差:在大多数情形中,压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计,因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。
压力传感器
压力传感器的这个四个误差是无法避免的,我们只能选择高精度的生产设备,利用最新技术来降低这些误差,还可以在出厂的时候进行一定的误差校准,尽最大的可能来降低误差以满足客户的需要。
压力传感器安装问题
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正确安装通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的,如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中,就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏,选择合适的工具加工安装孔,有利于控制安装孔的尺寸,另外,合适的安装扭矩有利于形成良好的密封,但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱,为防止这种现象发生,通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。1. 压力传感器正确安装方法:(1) 通过适当的仪表, 在普通大气压和标准温度条件下,核实压力传感器的频率反应值。(2) 核实压力传感器的编码与相应的频率反应信号的正确性。2. 确定具体安装位置为了确定压力传感器的编号和具体安装位置, 需按充气网的各个充气段来考虑。(1) 压力传感器必须沿着线缆进行安装, 最好安装在线缆接头处。(2) 每条线缆装设压力传感器不少于4个, 靠近电话局的两个压力传感器, 相距不应大干200m。(3) 每条线缆的始端和末端分别安装1个。(4) 每条线缆的分支点应装1个, 如果两个分支点相距较近(小于100 m),可只装1个。(5) 线缆敷设方式(架空、地下)改变处应装1个(6) 对无分支的线缆, 因垒线的线缆程式一致, 压力传感器的安装隔距不大干500m, 并使其总数不少于4个。(7) 为了便于确定压力传感器故障点, 除在起点安装压力传感器外,距起点150~200m处,还要另外安装1个当然在设计中, 一定要考虑经济与技术的因素, 在不需要安装压力传感器的地方,则应不必安装。检查尺寸如果安装孔的尺寸不合适,高温熔体压力传感器在安装过程中,其螺纹部分就很容易受到磨损,这不仅会影响设备的密封性能,而且使传感器不能充分发挥作用,甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B),通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测,以做出适当的调整。
压力传感器常用术语
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压力是工业生产中的重要参数之一,为了保证生产正常运行,必须对压力进行监测和控制。下面是压力传感器选型时常用的用语:标准压以大气压为标准表示的压力大小,大于大气压的叫正压;小于大气压的叫负压。绝对压以绝对真空为标准表示的压力大小。相对压对比较对象(标准压)而言的压力大小。大气压指大气压力。标准大气压(1atm)相当于高度为760mm水银柱的压力。真空指低于大气压的压力状态。1Torr=1/760气压(atm)。检测压力范围指传感器的适应压力范围。可承受压力当恢复到检测压力时,其性能不下降的可承受压力。往返精度当一定温度(23°C)下,当增加、减少压力时、用检测压力的全标度值去除输出进行反转的压力值而得到的动作点的压力变动值。精度在一定温度(23°C)下,当加零压力和额定压力时,用全标度值去除偏离输出电流规定值(4mA、20mA)的值而得到的值。单位用%FS表示。线性模拟输出对检测压力呈线性变化,但与理想直线相比有偏差。用对全标度值来说百分数来表示这种偏差的值叫线性。迟滞(线性)用零电压和额定电压在输出电流(或电压)值间画出理想直线,把电流(或电压)值与理想电流(或电压)值之差作为误差求出来,再求出压力上升时和下降时的误差值。用全标度的电流(或电压)值去除上述差的绝对值的最大值所得的值即为迟滞。单位用%FS表示。迟滞用压力的全标度值去除输出ON点压力与OFF点压力之差所得的值既是迟滞。非腐蚀性气体指空气中含有的物质(氮、二氧化碳等)与惰性气体(氩、氖等) 。
压力传感器应用领域
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压力传感器主要应用于:增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机,压缩机,空调制冷设备等领域。1、应用于液压系统压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时,在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中,如果设计时没有考虑到这样的极端工况,任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器,压力传感器实现抗冲击主要有2种方法,一种是换应变式芯片,另一种方法是外接盘管,一般在液压系统中采用第一种方法,主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。2.应用于安全控制系统压力传感器在安全控制系统中经常应用,主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。在安全控制领域有很多传感器应用,压力传感器作为一种非常常见的传感器,在安全控制系统中应用也不足为奇。在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑,从价格上的考虑,还有从实际操作的安全性方便性来考虑,实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一,除此之外,价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中,通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力,这算是一定的保护措施,也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后,如果压力值未达到上限,那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。3.应用于注塑模具压力传感器在注塑模具中有着重要的作用。压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内,它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。4.应用于监测矿山压力传感器技术作为矿山压力监控的关键性技术之一。一方面,我们应该正确应用已有的各种传感器来为采矿行业服务;另一方面,作为传感器厂家还要研制和开发新型压力传感器来适应更多的采矿行业应用。压力传感器有多种,而基于矿山压力监测的特殊环境,矿用压力传感器主要有:振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、差动变压器式压力传感器等。这些传感器在矿产行业都有广泛的应用,具体使用哪种传感器还有根据具体的采矿环境进行选择。5.应用于促进睡眠压力传感器本身无法促进睡眠,我们只是将压力传感器放在床垫地下,由于压力传感器具有高灵敏度,当人发生翻身、心跳以及呼吸等有关的动作时,传感器会分析这一系列信息,去推断睡眠人睡觉处于一个什么状态,然后通过对传感器的分析,收集传感器的信号得到心跳和呼吸节奏等睡眠的数据,最后将所有数据处理谱成一首段的曲目,当然能将你一个晚上的睡眠压缩成一首几分钟的音乐。6.应用于压缩机,空调冷设备压力传感器常用于空气压力机,以及空调制冷设备,这类传感器产品外形小巧、安装方便、导压口一般采用专用阀针式设计。
压力传感器性能参数
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压力传感器的种类繁多,其性能也有较大的差异,如何选择较为适用的传感器,做到经济、合理的使用。1. 额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间,传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。2. 最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力,且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器,为提高线性和温度特性,一般都大幅度减小额定压力范围。因此,即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。3. 损坏压力损坏压力是指能够加在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。4. 线性度线性度是指在工作压力范围内,传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。5.压力迟滞为在室温下及工作压力范围内,从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时,传感器输出之差。6.温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿,精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。技术参数 (量程15MPa-200MPa)参数 单位 技术指标 参数 单位 技术指标灵敏度 mV/V 1.0±0.05 灵敏度温度系数 ≤%F·S/10℃ ±0.03非线性 ≤%F·S ±0.02~±0.03 工作温度范围 ℃ -20℃~+80℃滞后 ≤%F·S ±0.02~±0.03 输入电阻 Ω 400±10Ω重复性 ≤%F·S ±0.02~±0.03 输出电阻 Ω 350±5Ω蠕变 ≤%F·S/30min ±0.02 安全过载 ≤%F·S 150% F·S零点输出 ≤%F·S ±2 绝缘电阻 MΩ ≥5000MΩ(50VDC)零点温度系数 ≤%F·S/10℃ ±0.03 推荐激励电压 V 10V-15V
压力传感器防腐技巧
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压力传感器被应用于各行各业,尤其是工业上应用非常多的压力传感器,但是工业上一般要求压力传感器能够防腐蚀,压力传感器接头和腔体采用进口不锈钢整体加工,作为压力变送器弹体的不锈钢材料耐蚀性高、衰减性能好,可以监测任何与316L相兼容的介质。下面我们还来介绍一下压力传感器的防腐技巧。首先,了解被测介质是否与316L相兼容:316,317L合金在100小时5%盐雾测试中,都没有出现腐蚀。其次,在选购传感器产品时,向供应商咨询介质对压力传感器是否有影响;通过对弹体耐腐蚀材料的选择,以便达到用户使用的需求。最后,我们可以采用隔离办法:压力变送器前有钼2钛和钽片,膜片与弹道管之间用甲基硅油传送压力,最小量程可做到0~100kPa,如果膜片材料还不耐腐,则可加一层F46膜片,但仪表灵敏度有所降低。也可直接用F46作隔离膜片,传递液可选用氟油,则可起双重隔离作用。压力传感器在使用过程中一旦发现其不能与介质兼容就必须马上更换传感器,对应一些特殊的介质我们可以采用特殊的材质或者特殊的结构来进行测量,压力传感器未来肯定会得到更加广泛的应用,所以作为厂家我们要积极开发新型压力传感器来适应需要。
压力传感器趋势
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1.主要垂直行业,包括石油和天然气、汽车和医疗保健的技术进步导致了多种应用程序以及压力传感器功能的演变。2.汽车领域是压力传感器的最重要的用户之一,汽车生产的激增导致对压力传感器和相关组件的需求不断增加。3.机动车安全已成为整个汽车行业的重要方面,围绕此项特性的严格的政府法规有助于促进汽车行业压力传感器的需求增长。4.基于微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的技术一直以来广受大众欢迎,采用量大增,导致压力传感器市场的增长。5.消费电子压力传感器使用量大大增加,成为整个市场发展最快的应用领域。6.终端使用行业如汽车和医疗保健市场趋于成熟成为阻碍北美和欧洲压力传感器市场的一大挑战。7.在亚洲国家,如中国、日本、印度和韩国快速的工业化和机动车生产都可以归结为亚太压力传感器市场的发展。8.亚太和中东地区的智能城市基础设施的发展持有巨大的未来增长潜力。9.消费者购买压力传感器对其安装和更换不断飙升的成本心存忧虑,可能会影响压力传感器市场。10.在过去的几年中,压力传感器市场取得了迅速进展,对竞争格局产生了积极影响,为市场引入了新的参与者并扩大了市场现有参与者的范围。
压力传感器原则
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现代传感器在原理与结构上千差万别,如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器,是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后,与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败,在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行—个具体的测量工作,首先要考虑采用何种原理的传感器,这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用,哪一种原理的传感器更为合适,则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题:量程的大小;被测位置对传感器体积的要求;测量方式为接触式还是非接触式;信号的引出方法,有线或是非接触测量;传感器的来源,国产还是进口,价格能否承受,还是自行研制。在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器,然后再考虑传感器的具体性能指标。2、灵敏度的选择通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时,与被测量变化对应的输出信号的值才比较大,有利于信号处理。但要注意的是,传感器的灵敏度高,与被测量无关的外界噪声也容易混入,也会被放大系统放大,影响测量精度。因此,要求传感器本身应具有较高的信噪比,尽量减少从外界引入的厂扰信号。传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量,而且对其方向性要求较高,则应选择其它方向灵敏度小的传感器;如果被测量是多维向量,则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。3、频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件,实际上传感器的响应总有—定延迟,希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高,可测的信号频率范围就宽,而由于受到结构特性的影响,机械系统的惯性较大,因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中,应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性,以免产生过火的误差。4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲,在此范围内,灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽,则其量程越大,并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时,当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上,任何传感器都不能保证绝对的线性,其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时,在一定的范围内,可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的,这会给测量带来极大的方便。5、稳定性传感器使用一段时间后,其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外,主要是传感器的使用环境。因此,要使传感器具有良好的稳定性,传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前,应对其使用环境进行调查,并根据具体的使用环境选择合适的传感器,或采取适当的措施,减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标,在超过使用期后,在使用前应重新进行标定,以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合,所选用的传感器稳定性要求更严格,要能够经受住长时间的考验。6、精度精度是传感器的一个重要的性能指标,它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高,其价格越昂贵,因此,传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以,不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的,选用重复精度高的传感器即可,不宜选用绝对量值精度高的;如果是为了定量分析,必须获得精确的测量值,就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。
压力传感器原理应用
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压力传感器种类
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。
压力传感器认识
在了解压阻式压力传感器时,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。
压力传感器作业方式
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选择压力传感器的时候需要注意很多问题,比如,压力传感器的量程、精度、压力传感器的温度特性,化学特性都是要考虑的,而压力传感器的作业方式也是需要考虑的重要问题。例如传感器用于气体压力的测量与液体压力的测量时情况便不同。气体是可压缩流体,增多时会贮存一定的压缩能,减压时又以动能释放出来,给传感器弹性膜施加冲击波。要求压力传感器有较大的过载能力。液体是不可压缩流体,在压力传感器安装时,拧紧螺拴又无可压缩空间则可使液体压力升高超过弹性膜的耐压极限,导致弹性膜破裂。由于这种情况屡屡发生,也要求压力传感器有较大的过压能力。压力传感器的工作环境恶劣时,例如有大的振动、冲击,大的电磁干扰,对传感器提出更为严格的要求。不仅过压能力强,而且要求机械密封可靠,防松动,传感器安装正确。传感器自身的引线、引脚以及外导线都应加以电磁屏蔽,并将屏蔽良好接地。此外,应考虑压力传感器与所测流体介质的相容性问题。例如传感器的弹性膜结构应与腐蚀性介质相隔开,此时采有不锈钢波纹套传感器,传感器内用硅油作传压介质。传感器检测易燃、易爆介质压力时,使用小激励电流,防止弹性膜破裂时产生火花、火星,并增加压力传感器外套的耐压能力。只有了解了压力传感器的作业方式才能更好的选择压力传感器,尤其是如今压力传感器正在飞速发展,所以了解压力传感器的作业方式是非常必要的。
压力传感器关键作用
压力传感器不仅在生产测量中应用广泛,如今在我们生活中也常常看见,在我们大多的交通工具中都有压力传感器,可能一般人知道汽车上有压力传感器,其实普通的摩托车上也有压力传感器的应用。摩托车的动力来自汽油机汽缸内油的燃烧。只有充分燃烧才能提供很好的动力,良好的燃烧必须具备良好的混合气、充分的压缩和最佳点火三个条件。电喷系统能否正确的将空燃比控制在所需的范围内,决定了发动机的动力性、经济性和排放指标的优劣。而汽油机空燃比的控制是采用调整与进气量相匹配的供油量实现的,因此,进气空气流量的测量精度直接影响空燃比的控制精度。
压力传感器内部结构
它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
压力传感器基本原理
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)我们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。
压力传感器应用
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。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40~135℃,而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV,输出信号强,长期稳定性好。高特性,低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向,在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势,在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
压力传感器保护
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压力传感器我们经常使用,我们在使用过程中一定要注意保护压力传感器,因为压力传感器虽然有不锈钢保护,但是压力传感器还是很容易损坏的,尤其是使用不当很容易造成压力传感器损坏导致损失。首先肯定是传感器超量程使用,不要施加超过额定耐压力的压力。若施加了耐压力以上的压力,可能引起破损。其次是使用环境,避免在有可燃性和爆炸性气体的环境下使用。还有就是电源电压和负载短路,使用时请不要超过使用电压范围。若施加了使用电压范围以上的电压,则可能引起破裂或烧毁。避免使负载短路。否则可能引起破裂或烧毁。还有一点比较少见就是误布线,避免对电源的极性等进行错误布线。否则可能引起破裂或烧毁。压力传感器在使用的时候一定要学会如何保护它,否则它很容易被损坏从而造成生产上的损失,当然只要我们按厂家说明书正确操作,避免上述的几个问题,压力传感器还是可以长时间工作的。有些压力传感器能用到几年甚至十几年。主要是要学会如何保护它。
压力传感器分类
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压力传感器压电式
压电式压力传感器原理基于压电效应。压电效应是某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态,这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应。压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压电元件,再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图,在测量中不允许用水冷却,并要求传感器能耐高温和体积小。压电材料最适合于研制这种压力传感器。石英是一种非常好的压电材料,压电效应就是在它上面发现。比较有效的办法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法,例如XYδ(+20°~+30°)割型的石英晶体可耐350℃的高温。而LiNbO3单晶的居里点高达1210℃,是制造高温传感器的理想压电材料。
压力传感器扩散硅式
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。
压力传感器蓝宝石式
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。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器,可在最恶劣的工作条件下正常工作,并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)。在压力的作用下,钛合金接收膜片产生形变,该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后,其电桥输出会发生变化,变化的幅度与被测压力成正比。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。
压力传感器压电传感器
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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。压电效应也应用在多晶体上,比如压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。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。压力传感器的技术参数量程0~0.5Mpa/0~200Mpa精度±0.25 %F·S长期漂移0.1% F·S零点失调±1% F·S/满程失调±1% F·S/零点温漂±0.05% F·S /℃满程温漂±0.05% F·S /℃工作温度-40℃ ~ +120 ℃存储温度-40℃ ~ +120 ℃补偿温度-20℃ ~ +85 ℃工作电压9~36VDC电流输出4~20mA毫伏输出0~5VDC绝缘电阻100MΩ(50VDC)介质兼容316SS或304不锈钢法兰规格DN50 PN4.0 GB9116.7-8.8 &DN80 PN4.0 GB9116.7-8.8
压力传感器故障与检测
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压力传感器常见故障
压力传感器容易出现的故障主要有以下几种:第一种是压力上去,变送器输也上不去。此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常则进行简单加压看输出是否变化,或者察看传感器零位是否有输出,若无变化则传感器已损坏,可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题;第二种是加压变送器输出不变化,再加压变送器输出突然变化,泄压变送器零位回不去,很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因,传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器,加压时压力介质进不去,但在压力大时突然冲开密封圈,压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下,直接察看零位是否正常,若零位正常可更换密封圈再试;第三种是变送器输出信号不稳。这种故障有可能是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力,很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障;第四种是变送器与指针式压力表对照偏差大。出现偏差是正常的现象,确认正常的偏差范围即可;最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小,变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向,安装固定后调整变送器零位到标准值。
压力传感器零点漂移
造成压力传感器的零点漂移的主要有以下几个原因:1.应变片胶层有气泡或者有杂质2.应变片本身性能不稳定3.电路中有虚焊点4.弹性体的应力释放不完全;此外还和磁场,频率,温度等很多有关系。电漂或一些漂移都会存在,但我们可以通过一些方式缩小其范围或修正。零点热漂移是影响压力传感器性能的重要指标,受到广泛重视。国际上认为零点热漂移仅取决于力敏电阻的不等性及其温度非线性,其实零点热漂移还与力敏电阻的反向漏电有关。在这点上,多晶硅可以吸除衬底中的重金属杂质,从而减小力敏电阻的反向漏电、改善零点热漂移,提高传感器的性能。缩小电漂移和修正电漂移还有哪些方式呢,零点电漂移除了影响压力传感器的测量精度和降低灵敏度之外,还有哪些重要影响呢。利用零点电漂移可以消除压力传感器的热零点漂移,所谓零点漂移,是指当放大器的输入端短路时,在输入端有不规律的、变化缓慢的电压产生的现象。产生零点漂移的主要原因是温度的变化对晶体管参数的影响以及电源电压的波动等,在多数放大器中,前级的零点漂移影响最大,级数越多和放大倍数越大,则零点漂移越严重。漂移的大小主要在于应变材料的选用,材料的结构或是组成决定其稳定性或是热敏性。材料选好后的加工制成也很重要,工艺不同,会生产出不同效果的应变值,关键也在于通过一些老化等调节后,电桥值的稳定或程规律的变化。漂移的调节手段很多,大都根据厂家的条件或生产需求所决定,大多数厂家对零点漂移都控制得很好。温度调节可通过内部温度电阻和制热零敏度电阻补偿、老化等。对于采用电路转换的变压器中,电路部份的漂移可用通过选用好的元器件和设计更合适的电路来补偿。应变材料要选灵敏系数高、温度变化小的材料。
压力传感器故障检测
检查施工现场出现的故障,绝大多数是由于压力传感器使用和安装方法不当引起的,归纳起来有几个方面。1、一次元件(孔板、远传测量接头等)堵塞或安装形式不对,取压点不合理。2、引压管泄漏或堵塞,充液管里有残存气体或充气管里有残存液体,变送器过程法兰中存有沉积物,形成测量死区。3、变送器接线不正确,电源电压过高或过低,指示表头与仪表接线端子连接处接触不良。4、没有严格按照技术要求安装,安装方式和现场环境不符合技术要求。
压力传感器注意事项
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首先,要避免变送器跟具有腐蚀性和温度过高的介质接触以避免损坏它;导压管安装的位置最好是在温度波动较小的场合;在测量一些介质具有很高的温度的时候,必须要接上冷凝器,这是因为要避免变送器在工作的时候温度超过一定的限度;要保持好导管里的畅通无阻;在寒冷的冬天使用时,如果变送器安装在室外的话,还得注意采取好防冻的措施,这是为了不让引压口里的液体因为结冰的缘故导致它的体积膨胀起来,这样容易损害传感器;使用者在接线的时候,要把电缆穿过防水的接头又或者是绕性管然后将密封螺帽给拧紧,这是可以防止液体这些东西经过电缆渗漏到变送器的壳体里面。来说一下在测量液体压力和气体压力时的注意事项,大家要区分清楚。在测量液体压力的时候,取压口必须要开在流程管道的侧面的地方,这是为了防止有渣滓沉淀的缘故,还有这个时候安装变送器的地方应该防止有其他液体的冲击,避免传感器因为受到的压力过大而损坏。而在测量气体压力的时候,这个取压口就必须开在流程管道的顶端位置,注意这是跟测量液体压力的时候的差异,然后变送器必须要安装在流程管道的上部,这是方便已经积累的液体可以容易地注入到流程管道中去。在日常生活中使用和购买压力传感器都需要都它有一定的了解,特别在使用的时候,如果没有了解好注意事项的话,很容易导致机器发生故障或者损坏传感器现象的发生,又或者是导致测量精确度下降甚至数据有误。
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压力传感器选用使用方法
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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。而我们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:很多时候大家都认为国产的产品是不好用,甚至是不能用。2、精度误区:大家在选择产品的时候,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;压力传感器在我国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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参考资料
1.

【苹果描绘的未来】压力传感器拓展手势操作的可能性
.人民网[引用日期2014-07-06]
2.

压力传感器简介及使用的注意事项
.传感器应用网 [引用日期2015-12-25]

压力传感器的测量:压力传感器常见的三种测量方式

压力传感器是工业中常应用的一种传感器,用户在使用压力传感器测量的时候对于测量的方式是要非常重视的。压力传感器的测量方式是多种多样的,有直接测量、间接测量、组合测量等多种测量方式,用户掌握了这些测量方式在以后的测量中就会更加的精准,下面就由南京聚航科技有限公司为大家具体介绍一下压力传感器常见的三种测量方式。
1.直接测量
在使用传感器仪表进行测量时,对仪表读数不需要经过任何运算,就能直接表示测量所需要的结果,称为直接测量。例如,用磁电式电流表测量电路的电流,用弹簧管式压力表测量锅炉的压力等就是直接测量。直接测量的优点是测量过程简单而迅速,缺点是测量精度不容易做到很高,这种测量方法在工程上被广泛采用。
2.间接测量
有的被测量物无法或不便于直接测量,这就要求在使用仪表进行测量时,首先对与被测物理量有确定函数关系的几个量进行测量,然后将测量值代入函数关系式,经过计算得到所需的结果,这种方法称为间接测量。
3.组合测量
在应用传感器仪表进行测量时,若被测物理量经过求解联立方程组,才能得到后结果,则称这样的测量为组合测量。在进行组合测量时,一般需要改变测试条件,才能获得一组联立方程所需要的数据。组合测量是一种特殊的精密测量方法,操作手续较复杂,花费时间很长,一般适用于科学实验或特殊场合。
责任编辑:YYX

压力传感器的测量:几种常见压力传感器的测量原理了解一下  第3张

压力传感器的测量:常见的五种压力传感器测量原理解析

描述
自动化技术的进步带动了工业设备的更新换代。除了液柱式压力计、弹性式压力表外,工业设备中采用更多的是可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢?今天小编为大家汇总了目前最常见的几种压力传感器的测量原理,一起过足瘾吧!
1、压电压力传感器
基于压电效应(Piezoelectric effect),利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作的测量精密仪器。压电传感器只可以应用在动态测量当中。主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。随着技术的发展,压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如:压电陶瓷,铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛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器是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电材料制作而成的。当压电材料受到外力作用时表面会形成电荷,电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后,就会被转换成为与所受外力成正比关系的电量输出。它用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量,例如:加速度和压力。
优点是:重量较轻、工作可靠、结构简单、信噪比高、灵敏度高以及信频宽等。
缺点是:有部分电压材料忌潮湿,因此需要采取一系列的防潮措施;而输出电流响应又比较差,就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。
2、压阻压力传感器
压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。由于硅是现今集成电路的主要材料,以硅制作而成的压阻元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变,而且也来自材料本身与应力相关的电阻,这使得其程度因子大于金属数百倍之多。
压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零位),当传感器受压后芯片电阻发生变化,电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源,电桥将输出与压力对应的电压信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化,经过放大后,再经过电压电流的转换,变换成相应的电流信号,该电流信号通过非线性校正环路的补偿,即产生了与输入电压成线性对应关系的4~20mA标准输出信号。
为减小温度变化对芯体电阻值的影响,提高测量精度,压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。
3、电容压力传感器
利用电容作为敏感元件,将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆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形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,从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正比,而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。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,膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压,并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积,以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起,以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。
差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,测量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。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好,但加工较困难(特别是难以保证对称性),而且不能实现对被测气体或液体的隔离,因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。
4、电磁压力传感器
利用电磁原理的传感器统称为电磁压力传感器,主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感等。
①电感压力传感器
电感式压力传感器的工作原理是由于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信号输出,从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器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。
变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时,气隙大小改变,即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压,电流会随着气隙的变化而变化,从而测出压力。
在磁通密度高的场合,铁磁材料的导磁率不稳定,这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯,压力的变化导致磁性元件的移动,从而磁导率发生改变,由此得出压力值。
②霍尔压力传感器
霍尔压力传感器是基于某些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,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。
在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频率的交变电动势,建立霍尔电动势的时间极短,故其响应频率高。常用霍尔元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。
③电涡流压力传感器
基于电涡流效应,由一个移动的磁场与金属导体相交,或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之,就是电磁感应造成的。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性,因此电涡流压力传感器可用于静态力检测。
5、振弦压力传感器
振弦压力传感器属于频率敏感型传感器,这种频率测量具有想当高的准确度,因为时间和频率是能准确测量的物理量参数,而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时,振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力,零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定,便于数据传输、处理和存储,容易实现仪表数字化,所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。
振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦,敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的,弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小,即输入的是力信号,输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成,下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳,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。
振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式,振弦以其谐振频率不停振动,当测量的压力发生变化时,频率会产生变化,这种频率信号经过转换器转换为4~20mA的电流信号。
责任编辑人:CC
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