压力传感器的分类

压 力 传 感 器 基 础 入 门 培 训 (V1.0)长 沙 泽 天 电 子 科 技 有 限 公 司2011年 8月 16日 主 要 内 容1.压 力 传 感 器 与 压 力 变 送 器2.压 力 传 感 器 的 应 用 场 合3.压 力 传 感 器 市 场 与 发 展 方 向4.压 力 传 感 器 的 分 类5.几 种 常 用 的 压 力 传 感 器 类 型6.压 力 传 感 器 的 原 理7.压 力 传 感 器 的 主 要 参 数8.压 力 变 送 器 产 品9.压 力 变 送 器 生 产 与 使 用 中 的 注 意 事 项 工 程 技 术 上 所 称 的 “ 压 力 ” 实 质 上 就 是 物 理 学 里 的 “ 压强 ” ， 定 义 为 均 匀 而 垂 直 作 用 于 单 位 面 积 上 的 力 。基 本 单 位 为 ： Pa（ 帕 斯 卡 ） ， KPa、 MPa、 Bar（ 巴 ）1.1 什 么 是 压 力 ？1.压 力 传 感 器 与 压 力 变 送 器1Bar =100KPa1工 程 大 气 压 1Kgf/cm2 = 98.0665KPa1标 准 大 气 压 101.325KPa 1.2 压 力 传 感 器一 种 能 将 压 力 这 一 被 测 量 转 换 成 与 之 有 一 定 的 规 律 的 、便 于 后 续 检 测 、 传 输 或 处 理 的 部 件 或 装 置 。 1.4 差 压 变 送 器 与 液 位 变 送 器 习 惯 上 ， 我 们 把 压 力 传 感器 和 压 力 变 送 器 都 称 为 压 力 传感 器 ！ 2.压 力 传 感 器 的 应 用 领 域压 力 传 感 器 的 测 量 对 象流 体 （ 液 体 、 气 体 、 溶 体 ）通 常 把 压 力 传 感 器 的 测 量 对 象 叫 做 被 测 介 质压 力 传 感 器 广 泛 应 用 于 能 源 工 业 、 航 天 航空 、 交 通 运 输 、 业 冶 金 机 械 制 造 、 轻 工 纺 织 、城 市 供 水 污 水 处 理 、 环 保 、 气 象 、 家 用 电 器 . 2.1 航 空 航 天 气 瓶 压 力 传 感 器服 装 压 力 传 感 器 1.3 压 力 变 送 器将 压 力 传 感 器 的 输 出 信 号 ， 经 过 电 路 转 换 成 标 准的 电 信 号 （ 电 流 、 电 压 、 频 率 等 ） 输 出 。 2.2 在 汽 车 上 的 应 用 2.3 石 油 和 天 然 气 2.4 食 品 和 医 疗 2.5 工 业 控 制 2.6 污 水 处 理用 于 液 位 测 量 的 深 水 传 感 器 高 纯 水 系 统 反 渗 透 控 制高 压 控 制 ， 低 密 度 聚 合 物 反 应 器过 程 控 制进 /出 口 冷 却 压 力汽 车 喷 漆 房化 学 废 物 处 理 业过 程 控 制 废 物 沼 气 池泵 站 流 量 测 量 3.压 力 传 感 器 市 场 与 发 展 方 向 压 力 是 工 业 过 程 控 制 的 第 一 大 参 数 ， 压 力传 感 器 是 传 感 器 中 的 重 要 门 类 ， 其 产 值 占 世 界传 感 器 市 场 额 的 第 一 位 。 2003年 世 界 压 力 传 感 器 市 场 总 额 达 到 350亿 美 元 ， 2012年 预 计 达 600亿 美 元 。 在 市 场 销 售 方 面 ， 美 国 居 首 位 ， 代 表 公 司为 库 力 特 、 霍 尼 韦 尔 、 摩 托 罗 拉 、 福 克 斯 波 罗 、罗 斯 蒙 特 公 司 等 。 3.1 国 内 市 场 1 国 内 应 用 领 域 应 用 分 布 主 要 用 途 市 场需 求 量(万 只 ) 占 压 力 市场 总 比 率能 源工 业 17个 陆 、 海 上 油 田 ，8个 气 油 田 ，69个 大 型 矿 区 ，360多 个 大 型 电 厂 ，1000多 家 中 型 炼 油 厂 发 电 机 组 控 制 ， 电 力 调 度与 控 制 ，水 文 测 报 系 统 ， 城 市 供 水，油 田 、 采 煤 界 面 安 全 ，核 电 站 等 数 字 采 集 与 控 制 1600 19.2%航 天航 空交 通 运 输业 120个 港 口 码 头 ，6000艘 远 洋 船 ，3万 多 条 拖 船 ，300万 辆 /年 汽 车 ，20多 个 飞 机 制 造 加 工基 地 发 动 机 系 统 监 测 ， 远 洋 货船 ，内 燃 机 车 ， 车 站 供 水 ，气 检 测 ， 汽 车 电 喷 等 1300 15.6%冶 金机 械制 造 220多 个 冶 金 企 业 ，300多 个 大 型 机 床 厂 高 炉 自 控 ， 冶 炼 过 程 控 制 ，自 控 车 库 1210 14.5% 国 内 市 场 2 国 内 应 用领 域 应 用 分 布 主 要 用 途 市 场需 求 量(万 只 ) 占 压 力 市场 总 比 率轻 工纺 织 1000多 家 食 品 加 工 厂 ，5000多 个 酒 厂 ，300多 个 纺 机 厂 食 品 生 产 ， 酒 容 器 计 量 ，生 产 过 程 控 制 ， 纺 织 并条 机 ，传 动 系 统 1180 14.2%医 疗卫 生 50多 家 医 疗 器 械 厂 ，260多 家 制 药 厂 血 压 计 ， 医 疗 诊 断 与 检测 ，药 品 制 造 加 工 800 9.6% 环 保气 象 1900多 个 气 象 站 ，5000多 个 水 文 检 测 站 点 ，30多 个 重 型 锅 炉 厂 ，3万 多 个 废 水 、 气 排 放 点 气 象 检 测 ， 废 气 、水 检 测 ， 锅 炉 检 测 300 3.6% 国 内 市 场 3 国 内 应用 领 域 应 用 分 布 主 要 用 途 市 场需 求 量(万 只 ) 占 压 力 市场 总 比 率家 用电 器 120多 家 家 电 生 产 企 业 变 频 空 调 ， 中 央 空 调 ，吸 尘 器 ， 洗 衣 机 ， 饮 水机 ，热 水 器 ， 家 用 冰 箱 等 200 2.4%重 大工 程 300多 个 重 点 工 程 /年 西 气 东 输 ， 南 水 北 调 ，三 峡 工 程 ， 长 江 、 黄 河防 汛 600 7.2%其 它 类 300多 个 科 研 机 构 ，100多 个 高 效 农 业 示 范 区 科 研 ， 农 业 等 500 6% 3.3 压 力 传 感 器 的 发 展 方 向小 型 化 如 美 国 Entran 公 司 生 产 的 量 程 为 2 500PSI 的 传 感 器 ,直 径 仅 为 1. 27mm 。 集 成 化与 其 它 测 量 用 传 感 器 集 成 以 形 成 测 量 和 控 制 系 统 。 智 能 化集 成 微 处 理 器 ,使 得 传 感 器 具 有 自 动 补 偿 、 通 讯 、 自 诊 断 、 逻 辑 判 断 等 功 能 。 广 泛 化从 机 械 行 业 向 其 它 领 域 扩 展 ,例 如 :汽 车 元 件 、 医 疗 仪 器 和 能 源 环 境 控 制 系 统 。 标 准 化形 成 了 一 定 的 行 业 标 准 。 如 ISO 国 际 质 量 体 系 ;美 国 的 ANSI、 ASTM标 准 、 日本 的 J IS 标 准 。 4.压 力 传 感 器 的 分 类应 变 式电 容 式差 动 变 压 器霍 尔压 电4.1 按 测 量 原 理 分 类 ： 扩 散 硅溅 射 膜应 变 片陶 瓷电 容 式蓝 宝 石4.2 按 物 理 介 质 分 类 4.3 按 压 力 类 型 分 类大 气 压 力 :指 地 球 表 面 上 的 空 气 柱 重 量 所 产 生 的 压 力 。绝 压 （ Absolut pressure） :绝 对 压 力 ， 指 作 用 于 物 体表 面 积 上 的 全 部 压 力 ， 其 零 点 以 绝 对 真 空 为 基 准 ， 又称 总 压 力 或 全 压 力表 压 （ Gauge pressure） ： 指 作 用 于 物 体 表 面 积 上 的全 部 压 力 ， 其 零 点 以 当 地 大 气 压 为 参 考 点 。密 封 表 压 ： 密 封 表 压 是 在 传 感 器 内 部 封 有 一 个 标 准 大 气压 时 的 压 力 值 。差 压 （ Differential pressure） ： 任 意 两 个 压 力 之 差 称为 差 压 。 如 静 压 式 液 位 计 和 差 压 式 流 量 计 就 是 利 用 测量 差 压 的 大 小 来 测 量 液 位 和 流 体 量 的 大 小 的 。 5.几 种 常 用 的 压 力 传 感 器 类 型扩 散 硅 压 阻 式陶 瓷 压 阻 压 力溅 射 薄 膜 压 力电 容耐 高 温 特 性 的 蓝 宝 石 压 力5.1 目 前 应 用 较 为 广 泛 的 压 力 传 感 器 5.2 常 用 压 力 传 感 器 特 性 比 较原 理 和 工 艺 优 点 缺 点扩 散 硅 在 温 度 补 偿 范 围 内 （ 050 或 070 ） 性 能 稳 定小 量 程 和 绝 压 优 于 其 它 类 型灵 敏 度 高 低 于 0 、 高 于 80 后 ， 温 度 稳定 性 会 大 幅 度 降 低不 能 承 受 动 态 压 力膜 片 易 受 损 伤厚 膜 陶 瓷 成 本 低抗 腐 蚀 性 好使 用 温 度 宽 输 出 跳 动 ， 不 易 读 数压 力 下 降 时 回 零 慢 、 迟 滞 大陶 瓷 膜 片 薄 而 脆 、 易 碎电 容 式 量 程 全抗 过 载 能 力 强性 能 稳 定 体 积 大不 能 承 受 动 态 压 力高 温 需 充 硅 油 应 变 片 贴 片 低 成 本成 熟 传 统 工 艺 由 胶 引 起 的 时 漂 大靠 手 工 生 产 离 散 性 大溅 射 薄 膜 扩 散 硅 、 厚 膜 、 电 容 、 应 变 片 所 固有 的 缺 点 全 都 没 有全 球 公 认 的 长 期 稳 定 性 和 可 靠 性 不 适 于 小 量 程 测 量成 本 高 压 阻 效 应 ：半 导 体 材 料 具 有 各 向 异 性 ， 各 个 晶 向 晶 面 的 应 变 系数 不 同 。 通 过 半 导 体 工 艺 在 半 导 体 材 料 上 制 作 出 一个 惠 斯 通 电 桥 ， 在 受 到 外 力 以 后 扩 散 在 半 导 体 上 的电 阻 值 会 发 生 变 化 。6.压 力 传 感 器 的 原 理6.1 扩 散 硅 、 压 阻 式 压 力 传 感 器 的 工 作 原 理 传 感 器 芯 片 示 意 图 芯 片 基 底 是 （ 3 3） m m 的 正 方 体 硅 杯 ,是 利用 磨 抛 的 硅 片 的 正 面 扩 散 惠 斯 登 电 桥 的 四 个 电阻 ,在 背 面 腐 蚀 成 硅 杯 ,通 过 高 温 氧 化 -光 刻 -离 子注 入 -蒸 铝 -腐 蚀 等 的 工 艺 流 程 制 作 的 压 阻 芯 片 溅 射 薄 膜 压 力 传 感 器 是 利 用 电 阻 应 变 效 应 工 作 的 ，与 传 统 应 变 式 压 力 传 感 器 属 于 同 一 原 理 。 两 者 的 主要 差 别 制 作 工 艺 上 。 溅 射 薄 膜 压 力 传 感 器 延 用 了 测量 压 力 的 金 属 弹 性 膜 片 原 理 ， 应 用 离 子 束 溅 射 和 刻蚀 工 艺 ， 将 应 变 电 桥 直 接 制 作 在 金 属 测 压 膜 上 ， 由于 没 有 活 动 部 件 ， 抗 震 动 和 抗 冲 击 能 力 很 强 ， 可 用于 恶 劣 的 环 境 。 生 产 厂 家 型 号 最 大 激 励 输 出 电 压 精 度 工 作 温 度 范 围STI STI8020 2mA 100mV 0.2级 -40 125汇 博 HB2105 1.5mA 50mV 0.5级 -40 100SMI SM5102 3mA 275mV 0.2级 -40 125MEAS P6393 2mA 150mV 0.1级 -50 150NOVA P883 2mA 133mV 0.1级 -40 125Rampak RGI-M 3mA 200mV 0.2级 -40 150KELLER PA-10 5mA 900mV 0.1级 -55 150厂 家 芯 片 6.2 薄 膜 压 力 传 感 器 工 作 原 理 6.3 薄 膜 传 感 器 与 半 导 体 压 阻 式 传 感 器 的 比 较 6.4 陶 瓷 压 阻 式 压 力 传 感 器 1. 陶 瓷 是 一 种 公 认 的 高 弹 性 、 抗 腐 蚀 、 抗 磨 损 、 抗 冲击 合 振 动 的 材 料 。2. 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 代 替 扩 散 硅压 力 传 感 器 。3. 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 厚 膜 电 阻 的 压 阻 效 应 ， 使 电 桥 产生 一 个 与 压 力 成 正 比 的 电 压 信 号 6.5 蓝 宝 石 压 力 传 感 器蓝 宝 石 压 阻 式 压 力 传 感 器 以 机 械 性 能 高 度 稳定 的 人 造 蓝 宝 石 为 承 压 材 料 。 其 主 要 特 点 是长 期 稳 定 性 好 ， 温 度 范 围 宽 （ 允 许 介 质 温 度 196 400 ） ， 抗 震 动 。 主 要 用 于 介 质 温度 特 别 低 或 特 别 高 的 场 合 及 航 天 、 航 空 和 军事 用 途 。 7.压 力 传 感 器 的 主 要 参 数非 线 性 、 灵 敏 度 、 重 复 性 、 迟 滞 、 分 辨 率 、漂 移 、 稳 定 性7.2 术 语 和 定 义 7.1 静 态 特 性 的 主 要 技 术 指 标 有 ： 量 程 的 计 算 公 式 如 下 ：XFS =Xmax-Xmin式 中 ：XFS 量 程 ， Pa；Xmax测 量 范 围 上 限 值 ， Pa ；Xmin测 量 范 围 下 限 值 ， Pa 。量 程 （ XFS） 满 量 程 输 出 的 计 算 公 式 如 下 ：YFS=Ymax-Ymin式 中 ：YFS 满 量 程 输 出 值 ， V；Ymax工 作 特 性 所 决 定 的 最 大 输 出 值 ， V ；Ymin工 作 特 性 所 决 定 的 最 小 输 出 值 ， V 。满 量 程 输 出 （ YFS） 线 性 的 计 算 公 式 如 下 ： L= ( YL)max 100% YFS式 中 : L线 性 ， % ；( YL)max 实 际 平 均 特 性 曲 线 相 对 平 移 端基 直 线 的 最 大 偏 差 ， V 。线 性 （ L） 回 差 的 计 算 公 式 如 下 ： H= ( YH)max 100% YFS式 中 ： H 回 差 ， % ；( YH） max实 际 正 行 程 平 均 特 性 曲 线 相 对 实 际 反 行 程平 均 特 性 曲 线 的 最 大 偏 差 ， V 。回 差 （ H） 灵 敏 度 采 用 下 式 计 算 ： Sv=1000 Yf.S/Ui式 中 ：Sv 灵 敏 度 ， mV/V；Ui 试 验 时 测 得 的 激 励 电 源 电 压 值 ， V。灵 敏 度 （ Sv） 计 算 公 式 如 下 ：DO= Y0 max 100% /T Yf.S式 中 ：DO零 点 漂 移 ， %/h (或 %/d)； Y0 max试 验 时 间 内 的 零 点 输 出 值 的 最 大 差 值 。T试 验 时 间 。零 点 漂 移 （ DO） 计 算 公 式 如 下 ：DFS= YFS max 100% /T Yf.S0rs量 程 漂 移 ， %/h (或 %/d)； Y0 max试 验 时 间 内 的 满 量 程 输 出 值 的 最 大 差 值 。量 程 漂 移 （ DFS） 零 点 温 漂 （ ）= YO（ t2） -yO（ t1） 100% YFS（ t2-t1）式 中 ：零 点 温 漂 ， %/ ；t1试 验 前 的 室 温 温 度 ， ；t2试 验 时 的 高 温 或 低 温 温 度 ， ；y O（ t1） 室 温 下 测 得 的 零 点 输 出 值 （ V） ；yO（ t2） 试 验 高 温 或 低 温 下 测 得 的 零 点 输 出 值 （ V） 。 量 程 温 漂 （ ） = yFS（ t2） -yFS（ t1） 100% YFS（ t2-t1）式 中 ： 量 程 温 漂 ， %/ ；yFS（ t1） 室 温 下 测 得 的 满 量 程 输 出 值 ， V；yFS（ t2） 试 验 高 温 或 低 温 下 测 得 的 满 量 程 输 出 值 ， V。 1. 标 准 电 流 输 出 二 线 制 4 20mA三 线 制 0 10mA2. 标 准 电 压 输 出0 5V； 1 5V； 0.5 4.5V3. 无 线 与 智 能 输 出无 线总 线 智 能8.压 力 变 送 器 产 品8.1 公 司 现 有 主 要 产 品 : 8.2 一 种 典 型 的 压 力 变 送 器 结 构 1. 压 力 变 送 器 ： 压 力 传 感 器 （ 芯 体 ） 、 接 头 、 压环 、 外 壳 、 调 理 电 路 、 电 器 连 器 、 导 线 等 。螺 纹 接 口 ：1. M20 1.5 ； M12 1、 74 锥 ；2. G1/2； G1/4 ；3. NPT1/2； NPT1/44. R1/2； R1/4等 等 2. 液 位 变 送 器 ： 压 力 传 感 器 （ 芯 体 ） 、 液 位 变 送器 壳 体 、 调 理 电 路 、 电 缆1. 投 入 式 ， 安 装 时 ， 法 兰 式 ， 插 入 式 等 等 8.3 压 力 变 送 器 组 成 8.4 产 品 命 名 规 范代 号 产 品 大 类ZPM 液 位ZLM 液 位ZFM 流 量ZTM 温 度ZSB 显 示 仪 表ZDQ 采 集 模 块 ZPM210 ZPM218 压 力 传 感 器 ZPM310 ZPM312 ZPM3400 压 力 变 送 器 ZPM331 ZPM33 压 力 变 送 器 ZPM3910 ZPM3912 高 温 压 力 变 送 器 ZPM3610 ZPM3620 ZPM3640 智 能 压 力 变 送 器 ZPM430 ZPM432 差 压 变 送 器 ZLM62 ZLM630 ZLM641 一 体 式 液 位 变 送 器 ZLM620 ZLM628 分 体 式 液 位 变 送 器 u 严 禁 压 力 过 载u 严 禁 用 手 指 头 ， 镊 子 、 螺 丝 刀 、 铁 丝 等 尖 而 硬 的 物 体 接触 传 感 器 膜 片 ， 这 样 会 造 成 无 法 修 复 性 损 坏 。u 拿 传 感 器 芯 体 、 变 送 器 时 ， 严 禁 用 手 拎 着 产 品 上 的 导 线移 动 产 品 ， 这 样 会 损 坏 导 线 及 产 品 ， 必 须 用 手 拿 住 产 品的 主 体 部 分 ， 方 可 拿 起 、 移 动 ， 并 注 意 拿 好 ， 严 禁 跌 落 ，损 坏 产 品 。u 严 禁 敲 打 ， 振 动 、 撞 击 、 跌 落 、 避 免 过 大 的 加 速 度 力 造成 损 坏 。9.压 力 变 送 器 生 产 与 使 用 中 的 注 意 事 项 谢 谢 ！