壓力傳感器

壓力傳感器的寫法

壓力傳感器介紹

壓力傳感器是將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出的傳感器，通常把壓力測量儀表中的電測式儀表。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應(yīng)變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。壓力傳感器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

原理

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。

我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產(chǎn)生了極化效應(yīng)；當(dāng)機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應(yīng)，這就是所謂的極化效應(yīng)?？茖W(xué)家就是根據(jù)這個效應(yīng)研制出了壓力傳感器。

壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

在現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。

壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣。

除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻傳感器，利用應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應(yīng)和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。

作用

壓力傳感器的作用：把壓力信號傳到電子設(shè)備，進而在計算機顯示壓力。其原理大致是：將水壓這種壓力的力學(xué)信號轉(zhuǎn)變成電流或電壓信號。壓力和電壓或電流大小成線性關(guān)系，一般是正比關(guān)系。所以，變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大。壓力變送器根據(jù)測壓范圍可分成一般壓力變送器和微差壓變送器，負壓變送器三種壓力變送器.

壓力變送器在測試的時候也有很多的因素影響，首先是被測介質(zhì)的兩種壓力通入高、低兩壓力室，低壓室壓力采用大氣壓或真空，作用在δ元件(即敏感元件)的兩側(cè)隔離膜片上，通過隔離片和元件內(nèi)的填充液傳送到測量膜片兩側(cè)。壓力變送器是由測量膜片與兩側(cè)絕緣片上的電極各組成一個電容器。當(dāng)兩側(cè)壓力不一致時，致使測量膜片產(chǎn)生位移，其位移量和壓力差成正比，故兩側(cè)電容量就不等，通過振蕩和解調(diào)環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成與壓力成正比的信號。

參數(shù)

主要技術(shù)參數(shù)額定載荷(Kg)100、150、200、250、300、500、1000、2000、5000精度等級C2絕緣電阻(MΩ)≥5000(100VDC)綜合誤差([%]F.S)0.03激勵電壓(V)9～12(DC)靈敏度(mV/V)2.0±0.02溫度補償范圍(℃)-10～+40非線性([%]F.S)0.03使用溫度范圍(℃)-35～+65滯后([%]F.S)0.03零點溫度影響([%]F.S/10℃)0.03重復(fù)性([%]F.S)0.01靈敏度溫度影響([%]F.S/10℃)0.03蠕變([%]F.S/30min)0.02安全過載范圍([%]F.S)150零點輸出([%]F.S)±1極限過載范圍([%]F.S)200輸入阻抗(Ω)700±7防護等級IP65輸出阻抗(Ω)700±7電纜線四芯屏蔽電纜3m接線方法輸入(電源)+：紅色；輸入(電源)-：黑色；輸出(信號)+：綠色；輸出(信號)-：白色

基本要點

一、正確安裝

通常高溫熔體壓力傳感器的損壞都是由于其安裝位置不恰當(dāng)而引起的，如果將傳感器強行安裝在過小的孔或形狀不規(guī)則的孔中，就有可能造成傳感器的震動膜受到?jīng)_擊而損壞，選擇合適的工具加工安裝孔，有利于控制安裝孔的尺寸，另外，合適的安裝扭矩有利于形成良好的密封，但是如果安裝扭矩過高就容易引起高溫熔體壓力傳感器的滑脫，為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，通常在傳感器安裝之前在其螺紋部分上涂抹防脫化合物。

二、檢查安裝孔的尺寸

如果安裝孔的尺寸不合適，高溫熔體壓力傳感器在安裝過程中，其螺紋部分就很容易受到磨損，這不僅會影響設(shè)備的密封性能，而且使傳感器不能充分發(fā)揮作用，甚至還可能產(chǎn)生安全隱患。只有合適的安裝孔才能夠避免螺紋的磨損(螺紋工業(yè)標(biāo)準1/2-20UNF2B)，通常可以采用安裝孔測量儀對安裝孔進行檢測，以做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

性能參數(shù)

壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，如何選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟、合理。

1.額定壓力范圍

額定壓力范圍是滿足標(biāo)準規(guī)定值的壓力范圍。也就是在和溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實際應(yīng)用時傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。

2.壓力范圍

壓力范圍是指傳感器能長時間承受的壓力，且不引起輸出特性性改變。特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會被損壞。一般壓力是額定壓力值的2－3倍。

3.損壞壓力

損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的壓力。

4.線性度

線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的偏離。

5.壓力遲滯

為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和工作壓力趨近某一壓力時，傳感器輸出之差。

6.溫度范圍

壓力傳感器的溫度范圍分為補償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度進入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。

選用和使用

從十九世紀八十年代開始，高溫熔體壓力傳感器作為一種昂貴的高端測量儀器在國內(nèi)才開始被大家認識，在北美與歐洲當(dāng)時的產(chǎn)品已經(jīng)十分成熟，非常有代表性的幾家公司也開始被國內(nèi)的所熟悉：美國的丹尼斯科（Dynisco）;意大利的杰弗倫（GEFRAN）;日本的理化株式會社（RKC）,日本的長野計器（NKS），隨著國內(nèi)的工業(yè)自動化的不斷提升和發(fā)展，國內(nèi)的需求量也不斷增加，在近幾年，國內(nèi)也誕生了一批熔體壓力傳感器的制造商，因為有著性價比的優(yōu)勢國內(nèi)的制造商也占有了一定的市場；其中最有代表性的為——上海皓鷹測控技術(shù)有限公司，一個引導(dǎo)本行業(yè)正確發(fā)展方向的國內(nèi)制造商：一、選用常識：1、品牌誤區(qū)：很多時候大家都認為國產(chǎn)的產(chǎn)品是不好用，甚至是不能用；這一點皓鷹的成功研發(fā)和對產(chǎn)品品質(zhì)嚴格控制讓這種品牌誤區(qū)在慢慢淡化，皓鷹將成為國內(nèi)的一線品牌，這一點也得到了國際同行公司的認可。2、精度誤區(qū)：大家在選擇產(chǎn)品的時候，總以為精度是最重要的；其實從某個角度來說：穩(wěn)定性比產(chǎn)品的精度更重要，精度選擇應(yīng)該是建立在高穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上的。3、追求廉價：物美價廉這是每個人希望看到的；但事實上，高品質(zhì)的產(chǎn)品就決定了它的價格會相對的高一些。4、選擇合適的量程、合適的精度、合適安裝方式、合適的輸出方式。二、使用常識：1、檢查安裝孔的尺寸、保持安裝孔的清潔2、正確安裝、選擇恰當(dāng)?shù)奈恢?、仔細清潔、保持干燥4、避免高低溫干擾、高低頻干擾、靜電干擾5、防止壓力過載

傳感器應(yīng)變特點

壓力傳感器的測量范圍比電感式傳感器大一倍，它不僅能檢測金屬目標(biāo)，而且還能檢測電介質(zhì)，如紙、玻璃、木材和塑料等，甚至可以通過墻壁或紙殼進行檢測。由于人體在低頻下相當(dāng)于電導(dǎo)體，因此也出現(xiàn)了用于人的顫抖測量和防盜報警。在測量構(gòu)件應(yīng)變時，直接將應(yīng)變片黏貼在構(gòu)件上即可，但若要測量力、壓力、加速度等信號，應(yīng)先將這些物理量轉(zhuǎn)變成應(yīng)變，然后用應(yīng)變片測量，比直接測量時多了一個轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換過程的原件通常稱為彈性原件，因此，應(yīng)變式傳感器通常由彈性敏感原件和應(yīng)變計兩部分構(gòu)成。彈性敏感原件是傳感器的核心部件，要求彈性原件彈性儲能高，通常表示為彈性材料儲存變形功而不發(fā)生變形的能力。壓力傳感器具有良好的機械加工和熱處理性能，具有較強的抗壓強度。受溫度影響小等特性，正確選擇彈性敏感原件及應(yīng)變計橋路是提高應(yīng)變式傳感器的重要途徑：

1、測量范圍光精度高

測力傳感器可測0.01--1000000N的力，精度可達到0.05%FS以上;壓力傳感器可測0.1-1000000的壓力，精度可達到0.1%FS。

2、性能可靠，壽命長

如稱重式機械杠桿稱，由于杠桿、刀口等部分互相摩擦產(chǎn)生損耗和變形，欲長期保持其精度是相當(dāng)困難的，采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器制成的電子泵、汽車衡、軌道衡等，能在惡劣的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作。

3、頻率響應(yīng)特性極好

壓力傳感器一般電阻應(yīng)變計響應(yīng)時間為0.01MS，半導(dǎo)體應(yīng)變計可達到0.001MS如能在彈性原件上采取措施則由他們構(gòu)成的應(yīng)變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動態(tài)過程。

應(yīng)變特點

壓力傳感器的測量范圍比電感式傳感器大一倍，它不僅能檢測金屬目標(biāo)，而且還能檢測電介質(zhì)，如紙、玻璃、木材和塑料等，甚至可以通過墻壁或紙殼進行檢測。由于人體在低頻下相當(dāng)于電導(dǎo)體，因此也出現(xiàn)了用于人的顫抖測量和防盜報警。

在測量構(gòu)件應(yīng)變時，直接將應(yīng)變片黏貼在構(gòu)件上即可，但若要測量力、壓力、加速度等信號，應(yīng)先將這些物理量轉(zhuǎn)變成應(yīng)變，然后用應(yīng)變片測量，比直接測量時多了一個轉(zhuǎn)換過程，完成這種轉(zhuǎn)換過程的原件通常稱為彈性原件，因此，應(yīng)變式傳感器通常由彈性敏感原件和應(yīng)變計兩部分構(gòu)成。

彈性敏感原件是傳感器的核心部件，要求彈性原件彈性儲能高，通常表示為彈性材料儲存變形功而不發(fā)生變形的能力。壓力傳感器具有良好的機械加工和熱處理性能，具有較強的抗壓強度。受溫度影響小等特性，正確選擇彈性敏感原件及應(yīng)變計橋路是提高應(yīng)變式傳感器的重要途徑：

1、測量范圍光精度高，測力傳感器可測0.01--1000000N的力，精度可達到0.05%FS以上;壓力傳感器可測0.1-1000000的壓力，精度可達到0.1%FS。

2、性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，如稱重式機械杠桿稱，由于杠桿、刀口等部分互相摩擦產(chǎn)生損耗和變形，欲長期保持其精度是相當(dāng)困難的，采用電阻應(yīng)變式稱重傳感器制成的電子泵、汽車衡、軌道衡等，能在惡劣的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作。

3、頻率響應(yīng)特性極好。壓力傳感器一般電阻應(yīng)變計響應(yīng)時間為0.01MS，半導(dǎo)體應(yīng)變計可達到0.001MS如能在彈性原件上采取措施則由他們構(gòu)成的應(yīng)變式傳感器可測幾十千赫甚至上百千赫的動態(tài)過程。

常見故障

壓力傳感器容易出現(xiàn)的故障主要有以下幾種：

種是壓力上去，變送器輸也上不去。此種情況，先應(yīng)檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住，如果確認不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進行簡單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有輸出，若無變化則傳感器已損壞，可能是儀表損壞或者整個系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)的問題；

第二種是加壓變送器輸出不變化，再加壓變送器輸出突然變化，泄壓變送器零位回不去，很有可能是壓力傳感器密封圈的問題。常見的是由于密封圈規(guī)格原因，傳感器擰緊之后密封圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，加壓時壓力介質(zhì)進不去，但在壓力大時突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的方法是將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正?？筛鼡Q密封圈再試；

第三種是變送器輸出信號不穩(wěn)。這種故障有可能是壓力源的問題。壓力源本身是一個不穩(wěn)定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗干擾能力不強、傳感器本身振動很厲害和傳感器故障；第四種是變送器與指針式壓力表對照偏差大。出現(xiàn)偏差是正常的現(xiàn)象，確認正常的偏差范圍即可；

一種易出現(xiàn)的故障是微差壓變送器安裝位置對零位輸出的影響。微差壓變送器由于其測量范圍很小，變送器中傳感元件會影響到微差壓變送器的輸出。安裝時應(yīng)使變送器的壓力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定后調(diào)整變送器零位到標(biāo)準值。

八大發(fā)展趨勢

一、壓力傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式：要加速形成從傳感器研究開發(fā)到大生產(chǎn)一條龍的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展模式，走自主創(chuàng)新和國際合作相結(jié)合的跨越式發(fā)展道路，使我國成為世界傳感器的生產(chǎn)大國。

二、傳感器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向全面、協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)品品種要向高技術(shù)、高附加值傾斜，尤其要填補“空白”品種。

三、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模（年生產(chǎn)能力）向規(guī)模經(jīng)濟或適宜規(guī)模經(jīng)濟發(fā)展，量大面廣的通用傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年億只計，一些中檔傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)1000萬只（含以上）計；而一些傳感器和專用壓力傳感器的生產(chǎn)規(guī)模將以年產(chǎn)幾十萬只～幾百萬只計。

四、生產(chǎn)格局向化發(fā)展?；a(chǎn)的內(nèi)涵為：1.生產(chǎn)傳感器門類少而精；2.專門生產(chǎn)某一應(yīng)用領(lǐng)域需要的某一類傳感器系列產(chǎn)品，以獲得較高的市場占有率；3.各傳感器企業(yè)的化合作生產(chǎn)。

五、傳感器大生產(chǎn)技術(shù)向自動化發(fā)展。傳感器的門類、品種繁多，所用的敏感材料各異，決定了傳感器制造技術(shù)的多樣性和復(fù)雜性，綜觀當(dāng)前傳感器工藝線的概況，多數(shù)工藝已實現(xiàn)單機自動化，但距離生產(chǎn)過程全自動化尚存在諸多困難，有待今后廣泛采用CAD、CAM及先進的自動化裝備和工業(yè)機器人，予以突破。

六、壓力傳感器企業(yè)的重點技術(shù)改造應(yīng)加強從依賴引進技術(shù)向引進技術(shù)的消化吸收與自主創(chuàng)新的方向轉(zhuǎn)移。

七、企業(yè)經(jīng)營要加快從國內(nèi)市場為主向國內(nèi)與國外兩個市場相結(jié)合的國際化方向跨越發(fā)展。

八、企業(yè)結(jié)構(gòu)將向“大、中、小并舉”、“集團化、化生產(chǎn)共存”的格局發(fā)展。