压力传感器分类和选择

常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 压力传感器概述 王庆华 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 一、引言 二、压力传感器的分类 1.1应变片压力传感器 1.2陶瓷压力传感器 1.3扩散硅压力传感器 1.4蓝宝石压力传感器 1.5压电压力传感器 三、各种压力传感器的工作原理 2.1应变片压力传感器的工作原理 2.2陶瓷压力传感器的工作原理 2.3扩散硅压力传感器的工作原理 2.4蓝宝石压力传感器的工作原理 2.5压电压力传感器的工作原理 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 一、引言 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。 1、应变片压力传感器 2、陶瓷压力传感器 3、扩散硅压力传感器 4、蓝宝石压力传感器 5、压电压力传感器 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 1.1应变片压力传感器 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 1.2陶瓷压力传感器 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 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 1.3扩散硅压力传感器 扩散硅压力传感器是结合重负荷，温差影响极少的 strain gauge，预先设定温差 补偿的 psi/bar压力传感器，提供最理想解决一些困难的油压或气压的传感问题。压 力范围有真空至 400bar。由于多种不同原因，压力系统往往出现突然超出正常使用 压力，而导致压力传感器损坏，坚固耐用的 psi/bar更提供 4倍的超压力保护（ 1% 零位移动）， 10倍超压的防爆裂保护及抗震动的影响。 寿命长于 100百万次 高抵御震荡能力 全不锈钢接触件 高安全性，免受 RFI、 EMI及静电影响 不受突变压力影响（如水击、常变泵压及压力的猛动） 适合用于温度极差的环境 不需要定期调节 适合艰巨的使用环境，如运输工具或油压系统 可用于腐蚀性介质 符合高稳定性及长时间使用要求 符合 CE标准，可用于接近高电压或有无线电影响的环境下性能 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 1.4蓝宝石压力传感器 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。 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 1.5压电压力传感器 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 2.1 应变片压力传感器原理 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 金属电阻应变片的内部结构 如图 1所示，是电阻应变片的结构示意图，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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 电阻应变片的工作原理 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。 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况。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 2.2 陶瓷压力传感器原理 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 2.0/3.0/3.3mV/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 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 2.3 扩散硅压力传感器原理工作原理 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 2.4 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。 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 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。 常州梓铭电力科技有限公司 C h a n g z h o u Z I M E l e c t r i c T e c h n o l o g y C O . , L T D . 2.5 压电压力传感器原理 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。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，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。