一壓電壓力傳感器

 

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(yīng)（Piezoelectric effect），利用電氣元件和其他機(jī)械把待測(cè)的壓力轉(zhuǎn)換成為電量，再進(jìn)行相關(guān)測(cè)量工作的測(cè)量精密儀器，比如很多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不可以應(yīng)用在靜態(tài)的測(cè)量當(dāng)中，原因是受到外力作用后的電荷，當(dāng)回路有無(wú)限大的輸入抗阻的時(shí)候，才可以得以保存下來(lái)。但是實(shí)際上并不是這樣的。因此壓電傳感器只可以應(yīng)用在動(dòng)態(tài)的測(cè)量當(dāng)中。它主要的壓電材料是：磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應(yīng)就是在石英上發(fā)現(xiàn)的。

 

 

當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化的時(shí)候，電場(chǎng)的變化很小很小，其他的一些壓電晶體就會(huì)替代石英。酒石酸鉀鈉，它是具有很大的壓電系數(shù)和壓電靈敏度的，但是，它只可以使用在室內(nèi)的濕度和溫度都比較低的地方。磷酸二氫胺是一種人造晶體，它可以在很高的濕度和很高的溫度的環(huán)境中使用，所以，它的應(yīng)用是非常廣泛的。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓電效應(yīng)也已經(jīng)在多晶體上得到應(yīng)用了。例如：壓電陶瓷，鈮鎂酸壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷等等都包括在內(nèi)。

 

 

以壓電效應(yīng)為工作原理的傳感器，是機(jī)電轉(zhuǎn)換式和自發(fā)電式傳感器。它的敏感元件是用壓電的材料制作而成的，而當(dāng)壓電材料受到外力作用的時(shí)候，它的表面會(huì)形成電荷，電荷會(huì)通過(guò)電荷放大器、測(cè)量電路的放大以及變換阻抗以后，就會(huì)被轉(zhuǎn)換成為與所受到的外力成正比關(guān)系的電量輸出。它是用來(lái)測(cè)量力以及可以轉(zhuǎn)換成為力的非電物理量，例如：

 

加速度和壓力。它有很多優(yōu)點(diǎn)：重量較輕、工作可靠、結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單、信噪比很高、靈敏度很高以及信頻寬等等。但是它也存在著某些缺點(diǎn)：有部分電壓材料忌潮濕，因此需要采取一系列的防潮措施，而輸出電流的響應(yīng)又比較差，那就要使用電荷放大器或者高輸入阻抗電路來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，讓儀器更好地工作。

 

二壓阻壓力傳感器

 

壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)（Piezoresistive effect）。壓阻效應(yīng)是用來(lái)描述材料在受到機(jī)械式應(yīng)力下所產(chǎn)生的電阻變化。不同于上述壓電效應(yīng)，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，并不會(huì)產(chǎn)生電荷。

 

大多數(shù)金屬材料與半導(dǎo)體材料都被發(fā)現(xiàn)具有壓阻效應(yīng)。其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬。由于硅是現(xiàn)今集成電路的主要，以硅制作而成的壓阻性元件的應(yīng)用就變得非常有意義。的電阻變化不單是來(lái)自與應(yīng)力有關(guān)的幾何形變，而且也來(lái)自材料本身與應(yīng)力相關(guān)的電阻，這使得其程度因子大于金屬數(shù)百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)帶谷對(duì)的位移所造成不同遷移率的導(dǎo)帶谷間的載子重新分布，進(jìn)而使得電子在不同流動(dòng)方向上的遷移率發(fā)生改變。其次是由于來(lái)自與導(dǎo)帶谷形狀的改變相關(guān)的等效質(zhì)量(effective mass)的變化。在P型硅中，此現(xiàn)象變得更復(fù)雜，而且也導(dǎo)致等效質(zhì)量改變及電洞轉(zhuǎn)換。

 

 

壓阻壓力傳感器一般通過(guò)引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒(méi)有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶?。若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。電橋檢測(cè)出電阻值的變化，經(jīng)過(guò)放大后，再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過(guò)非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。

 

為減小溫度變化對(duì)芯體電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。

 

三電容式壓力傳感器

 

電容式壓力傳感器是一種利用電容作為敏感元件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成電容值改變的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動(dòng)電容式壓力傳感器。

 

 

單電容式壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。這種型式適于測(cè)量低壓，并有較高過(guò)載能力。還可以采用帶活塞動(dòng)極膜片制成測(cè)量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測(cè)量動(dòng)態(tài)高壓和對(duì)飛行器進(jìn)行遙測(cè)。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽(tīng)診器式等型式。

 

差動(dòng)電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個(gè)固定電極之間，構(gòu)成兩個(gè)電容器。在壓力的作用下一個(gè)電容器的容量增大而另一個(gè)則相應(yīng)減小，測(cè)量結(jié)果由差動(dòng)式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過(guò)載時(shí)膜片受到凹面的保護(hù)而不致破裂。差動(dòng)電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對(duì)稱性），而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的隔離，因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質(zhì)的流體中。

 

四電磁壓力傳感器

 

多種利用電磁原理的傳感器統(tǒng)稱，主要包括電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、電渦流壓力傳感器等。

 

電感壓力傳感器

 

電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用于膜片時(shí)，氣隙大小發(fā)生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個(gè)電感的變化轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的信號(hào)輸出，從而達(dá)到測(cè)量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種：變磁阻和變磁導(dǎo)。電感式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于靈敏度高、測(cè)量范圍大；缺點(diǎn)就是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。

 

變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個(gè)磁路。當(dāng)有壓力作用時(shí)，氣隙大小改變，即磁阻發(fā)生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會(huì)隨著氣隙的變化而變化，從而測(cè)出壓力。

 

在磁通密度高的場(chǎng)合，鐵磁材料的導(dǎo)磁率不穩(wěn)定，這種情況下可以采用變磁導(dǎo)式壓力傳感器測(cè)量。變磁導(dǎo)式壓力傳感器用一個(gè)可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動(dòng)，從而磁導(dǎo)率發(fā)生改變，由此得出壓力值。

 

霍爾壓力傳感器

 

霍爾壓力傳感器是基于某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成的?；魻栃?yīng)是指當(dāng)固體導(dǎo)體放置在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，且有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）的現(xiàn)象。電壓所引致的電場(chǎng)力會(huì)平衡洛倫茲力。通過(guò)霍爾電壓的極性，可證實(shí)導(dǎo)體內(nèi)部的電流是由帶有負(fù)電荷的粒子（自由電子）之運(yùn)動(dòng)所造成。

 

 

在導(dǎo)體上外加與電流方向垂直的磁場(chǎng)，會(huì)使得導(dǎo)線中的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，此電場(chǎng)將會(huì)使后來(lái)的電子受到電力作用而平衡掉磁場(chǎng)造成的洛倫茲力，使得后來(lái)的電子能順利通過(guò)不會(huì)偏移，此稱為霍爾效應(yīng)。而產(chǎn)生的內(nèi)建電壓稱為霍爾電壓。

 

當(dāng)磁場(chǎng)為一交變磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也為同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)，建立霍爾電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間極短，故其響應(yīng)頻率高。理想霍爾元件的材料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率，以便獲得較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)。常用霍爾元件的材料大都是半導(dǎo)體，包括N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導(dǎo)體質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，N型硅的霍爾系數(shù)、溫度穩(wěn)定性和線性度均較好，砷化鎵溫漂小，目前應(yīng)用。

 

電渦流壓力傳感器

 

 

基于電渦流效應(yīng)的壓力傳感器。電渦流效應(yīng)是由一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動(dòng)的金屬導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直交會(huì)所產(chǎn)生。簡(jiǎn)而言之，就是電磁感應(yīng)效應(yīng)所造成。這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了一個(gè)在導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)的電流。

 

電渦流特性使電渦流檢測(cè)具有零頻率響應(yīng)等特性，因此電渦流壓力傳感器可用于靜態(tài)力的檢測(cè)。

 

五振弦式壓力傳感器

 

振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器，這種頻率測(cè)量具有想當(dāng)高的準(zhǔn)確度，因?yàn)闀r(shí)間和頻率是能準(zhǔn)確測(cè)量的物理量參數(shù)，而且頻率信號(hào)在傳輸過(guò)程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時(shí)，振弦式壓力傳感器還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，零點(diǎn)漂移小、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、性能穩(wěn)定，便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)，容易實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)字化，所以振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術(shù)發(fā)展的方向之一。

 

 

振弦式壓力傳感器的敏感元件是拉緊的鋼弦，敏感元件的固有頻率與拉緊力的大小有關(guān)。弦的長(zhǎng)度是固定的，弦的振動(dòng)頻率變化量可用來(lái)測(cè)算拉力的大小，即輸入是力信號(hào)，輸出的是頻率信號(hào)。振弦式壓力傳感器分為上下兩個(gè)部分組成，下部構(gòu)件主要是敏感元件組合體。上部構(gòu)件是鋁殼，包含一個(gè)電子模塊和一個(gè)接線端子，分成兩個(gè)小室放置，這樣在接線時(shí)就不會(huì)影響電子模塊室的密封性。

 

振弦式壓力傳感器可以選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦式壓力傳感器在運(yùn)作式，振弦以其諧振頻率不停振動(dòng)，當(dāng)測(cè)量的壓力發(fā)生變化時(shí)，頻率會(huì)產(chǎn)生變化，這種頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)。