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一起來解剖一下壓力傳感器和變送器,想不懂都難

發布時間:2023-09-20 07:53:47
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壓力傳感器(Pressure sensor):

能夠測量壓力并提供遠傳電信號的裝置統稱為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分,其結構型式多種多樣,常見的型式有應變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。采用壓力傳感器可以直接將被測壓力變換成各種形式的電信號,便于滿足自動化系統集中檢測與控制的要求,因而在工業生產中得到廣泛應用。

壓力傳感器的類型:

01應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器是一種通過測量各種彈性元件的應變來間接測量壓力的傳感器。根據制作材料的不同,應變元件可以分為金屬和半導體兩大類。應變元件的工作原理基于導體和半導體的“應變效應”,即當導體和半導體材料發生機械變形時,其電阻值將發生變化。

當金屬絲受外力作用時,其長度和截面積都會發生變化,其電阻值即會發生改變,假如金屬絲受外力作用而伸長時,其長度增加,而截面積減少,電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時,長度減小而截面增加,電阻值則會減小。只要測出加在電阻兩端的電壓的變化,即可獲得應變金屬絲的應變情況。

02壓阻式壓力傳感器

壓阻壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應和集成電路技術制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后,電阻率發生變化,通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。它又稱為擴散硅壓阻壓力傳感器,它不同于粘貼式應變計需通過彈性敏感元件間接感受外力,而是直接通過硅膜片感受被測壓力的。

壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應(Piezoresistive effect)。壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。不同于壓電效應,壓阻效應只產生阻抗變化,并不會產生電荷。

大多數金屬材料與半導體材料都被發現具有壓阻效應。其中半導體材料中的壓阻效應遠大于金屬。由于硅是現今集成電路的主要原料,以硅制作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。硅的電阻變化不單是來自與應力有關的幾何形變,而且也來自材料本身與應力相關的電阻,這使得其程度因子大于金屬數百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由于其三個導帶谷對的位移所造成不同遷移率的導帶谷間的載子重新分布,進而使得電子在不同流動方向上的遷移率發生改變。其次是由于來自與導帶谷形狀的改變相關的等效質量(effective mass)的變化。在P型硅中,此現象變得更復雜,而且也導致等效質量改變及電洞轉換。

壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時敏感芯體沒有外加壓力作用,電橋處于平衡狀態(稱為零位),當傳感器受壓后芯片電阻發生變化,電橋將失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源,電橋將輸出與壓力對應的電壓信號,這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化,經過放大后,再經過電壓電流的轉換,變換成相應的電流信號,該電流信號通過非線性校正環路的補償,即產生了輸入電壓成線性對應關系的4~20mA的標準輸出信號。

為減小溫度變化對芯體電阻值的影響,提高測量精度,壓力傳感器都采用溫度補償措施使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩定性等技術指標保持較高水平。

 

03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,將被測壓力轉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電極,當薄膜感受壓力而變形時,薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化,通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。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。這種型式適于測量低壓,并有較高過載能力。還可以采用帶活塞動極膜片制成測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。它還與各種補償和保護部以及放大電路整體封裝在一起,以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測量動態高壓和對飛行器進行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式(即話筒式)和聽診器式等型式。

差動電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個固定電極之間,構成兩個電容器。在壓力的作用下一個電容器的容量增大而另一個則相應減小,測量結果由差動式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時膜片受到凹面的保護而不致破裂。差動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(特別是難以保證對稱性),而且不能實現對被測氣體或液體的隔離,因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質的流體中。

 

04壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(Piezoelectric effect),利用電氣元件和其他機械把待測的壓力轉換成為電量,再進行相關測量工作的測量精密儀器,比如很多壓力變送器和壓力傳感器。

 

 

壓電傳感器不可以應用在靜態的測量當中,原因是受到外力作用后的電荷,當回路有無限大的輸入抗阻的時候,才可以得以保存下來。但是實際上并不是這樣的。因此壓電傳感器只可以應用在動態的測量當中。它主要的壓電材料是:磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應就是在石英上發現的。

當應力發生變化的時候,電場的變化很小很小,其他的一些壓電晶體就會替代石英。酒石酸鉀鈉,它是具有很大的壓電系數和壓電靈敏度的,但是,它只可以使用在室內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境中使用,所以,它的應用是非常廣泛的。隨著技術的發展,壓電效應也已經在多晶體上得到應用了。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。

壓電效應可分為:正壓電效應和逆壓電效應。

正壓電效應是指:當晶體受到某固定方向外力的作用時,內部就產生電極化現象,同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷;當外力撤去后,晶體又恢復到不帶電的狀態;當外力作用方向改變時,電荷的極性也隨之改變;晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。

逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象,又稱電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種基本形式。壓電晶體是各向異性的,并非所有晶體都能在這 5種狀態下產生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應,但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。

05電感壓力傳感器

電磁壓力傳感器是多種利用電磁原理的傳感器統稱,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。

電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同,當壓力作用于膜片時,氣隙大小發生改變,氣隙的改變影響線圈電感的變化,處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信號輸出,從而達到測量壓力的目的。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。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大;缺點就是不能應用于高頻動態環境。

 

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磁路。當有壓力作用時,氣隙大小改變,即磁阻發生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓,電流會隨著氣隙的變化而變化,從而測出壓力。

 

在磁通密度高的場合,鐵磁材料的導磁率不穩定,這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件代替鐵芯,壓力的變化導致磁性元件的移動,從而磁導率發生改變,由此得出壓力值。

06霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器是基于某些半導體材料的霍爾效應制成的?;魻栃侵府敼腆w導體放置在一個磁場內,且有電流通過時,導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊,繼而產生電壓(霍爾電壓)的現象。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性,可證實導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子(自由電子)之運動所造成。

 

在導體上外加與電流方向垂直的磁場,會使得導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生一個電場,此電場將會使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力,使得后來的電子能順利通過不會偏移,此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。

當磁場為一交變磁場時,霍爾電動勢也為同頻率的交變電動勢,建立霍爾電動勢的時間極短,故其響應頻率高。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勢。常用霍爾元件的材料大都是半導體,包括N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導體質結構材料,N型硅的霍爾系數、溫度穩定性和線性度均較好,砷化鎵溫漂小,目前應用。

07電渦流壓力傳感器

基于電渦流效應的壓力傳感器。電渦流效應是由一個移動的磁場與金屬導體相交,或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所產生。簡而言之,就是電磁感應效應所造成。這個動作產生了一個在導體內循環的電流。

電渦流特性使電渦流檢測具有零頻率響應等特性,因此電渦流壓力傳感器可用于靜態力的檢測。

 

08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,這種頻率測量具有想當高的準確度,因為時間和頻率是能準確測量的物理量參數,而且頻率信號在傳輸過程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時,振弦式壓力傳感器還具有較強的抗干擾能力,零點漂移小、溫度特性好、結構簡單、分辨率高、性能穩定,便于數據傳輸、處理和存儲,容易實現儀表數字化,所以振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術發展的方向之一。

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。弦的長度是固定的,弦的振動頻率變化量可用來測算拉力的大小,即輸入是力信號,輸出的是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為上下兩個部分組成,下部構件主要是敏感元件組合體。上部構件是鋁殼,包含一個電子模塊和一個接線端子,分成兩個小室放置,這樣在接線時就不會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作式,振弦以其諧振頻率不停振動,當測量的壓力發生變化時,頻率會產生變化,這種頻率信號經過轉換器可以轉換為4~20mA的電流信號。
壓力變送器是一種將壓力轉換成氣動信號或電動信號進行控制和遠傳的設備。 它能將測壓元件傳感器感受到的氣體、液體等物理壓力參數轉變成標準的電信號(如4~20mADC等),以供給指示報警儀、記錄儀、調節器等二次儀表進行測量、指示和過程調節。

 

基本介紹

 

壓力變送器是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應

 

 

壓力變送器(圖1)

用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。

壓力變送器有電動式和氣動式兩大類。電動式的統一輸出信號為0~10mA、4~20mA或1~5V等直流電信號。氣動式的統一輸出信號為20~100Pa的氣體壓力。

壓力變送器按不同的轉換原理可分為力(力矩)平衡式、電容式、電感式、應變式和頻率式等,下面簡單介紹幾種壓力(差壓)變送器的原理、結構、使用、檢修和校驗等知識。 [2]

壓力變送器的主要作用把壓力信號傳到電子設備,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信號轉變成電流(4-20mA)這樣的電子信號壓力和電壓或電流大小成線性關系,一般是正比關系。所以,變送器輸出的電壓或電流隨壓力增大而增大由此得出一個壓力和電壓或電流的關系式壓力變送器的被測介質的兩種壓力通入高、低兩壓力室,低壓室壓力采用大氣壓或真空,作用在δ元(即敏感元件)的兩側隔離膜片上,通過隔離片和元件內的填充液傳送到測量膜片兩側。

壓力變送器是由測量膜片與兩側絕緣片上的電極各組成一個電容器。當兩側壓力不一致時,致使測量膜片產生位移,其位移量和壓力差成正比,故兩側電容量就不等,通過振蕩和解調環節。

 

工作原理

 

壓力變送器感受壓力的電器元件一般為電阻應變片,電阻應變片是一種將被測件上的壓力轉換成為一種電信號的敏感器件。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的黏合劑緊密地粘合在產生力學應變基體上,當基體受力發生應力變化時,電阻應變片也一起產生形變,使應變片的阻值發生改變,從而使加在電阻上的電壓發生變化。

 

 

主要性能

 

1、使用被測介質廣泛,可測油、水及與316不銹鋼和304不銹鋼兼容的糊狀物,具有一定的防腐能力;

2、高準確度、高穩定性、選用進口原裝傳感器,線性好,溫度穩定性高;

3、體積小、重量輕、安裝、調試、使用方便;

4、不銹鋼全封閉外殼,防水好;

5、壓力傳感器直接感測被測液位壓力,不受介質起泡、沉積的影響。

 

主要優點

 

1、壓力變送器具有工作可靠、性能穩定等特點;

 

 

 

2、專用V/I集成電路,外圍器件少,可靠性高,維護簡單、輕松,體積小、重量輕,安裝調試極為方便;

3、鋁合金壓鑄外殼,三端隔離,靜電噴塑保護層,堅固耐用;

4、4-20mA DC二線制信號傳送,抗干擾能力強,傳輸距離遠;

5、LED、LCD、指針三種指示表頭,現場讀數十分方便??捎糜跍y量粘稠、結晶和腐蝕性介質;

6、高準確度,高穩定性。除進口原裝傳感器已用激光修正外,對整機在使用溫度范圍內的綜合性溫度漂移、非線性進行精細補償。

 

 

 

選型規則

 

1.根據要測量壓力的類型

壓力類型主要有表壓、絕壓、差壓等。表壓是指以大氣為基準,小于或大于大氣壓的壓力;絕壓是指以絕對壓力零位為基準,高于絕對壓力;差壓是指兩個壓力之間的差值。

 

2.根據被測壓力量程

一般情況下,按實際測量壓力為測量范圍的80%選取。

要考慮系統的最大壓力。一般來說,壓力變送器器壓力范圍最大值應該達到系統最大壓力值的1.5倍。一些水壓和過程控制,有壓力尖峰或者連續的脈沖。這些尖峰可能會達到“最大”壓力的5倍甚至10倍,可能造成變送器的損壞。連續的高壓脈沖,接近或者超過變送器的最大額定壓力,會縮短變送器的實用壽命。但提高變送器額定壓力會犧牲變送器的分辨率??梢栽谙到y中使用緩沖器來減弱尖峰,這會降低傳感器的響應速度。

壓力變送器一般設計成能在2億個周期中承受最大壓力而不會降低性能。在選擇變送器時可在系統性能與變送器壽命之間找到一個折中的解決方案。

 

3.根據被測介質

按測量介質的不同,可分為干燥氣體、氣體液體、強腐蝕性液體、黏稠液體、高溫氣體液體等,根據不同的介質正確選型,有利于延長變送器的使用壽命。

4.根據系統的最大過載

系統的最大過載應小于變送器的過載保護極限,否則會影響變送器的使用壽命甚至損壞變送器。通常壓力變送器的安全過載壓力為滿量程的2倍。

 

5.根據需要的準確度等級

變送器的測量誤差按準確度等級進行劃分,不同的準確度對應不同的基本誤差限(以滿量程輸出的百分數表示)。實際應用中,根據測量誤差的控制要求并本著使用經濟的原則進行選擇。

 

6.根據系統工作溫度范圍

測量介質溫度應處于變送器工作溫度范圍內,如超溫使用,將會產生較大的測量誤差并影響變送器的使用壽命;在壓力變送器的生產過程中,會對溫度影響進行測量和補償,以確保其受溫度影響產生的測量誤差處于準確度等級要求的范圍內。在溫度較高的場合,可以考慮選擇高溫型壓力變送器或采取安裝冷凝管、散熱器等輔助降溫措施。

 

7.根據測量介質與接觸材質的兼容性

在某些測量場合,測量介質具有腐蝕性,此時需選用與測量介質兼容的材料或進行特殊的工藝處理,確保變送器不被損壞。

 

8.根據壓力接口形式

通常以螺紋連接(M20×1.5)為標準接口形式。

 

9.根據供電電源和輸出信號

通常壓力變送器采用直流電源供電,提供多種輸出信號選擇,包括4~20mA.DC;、0~5V.DC、1~5V.DC、0~10mA.DC等,可以有232或485數字輸出。

 

10.根據現場工作環境情況及其他

是否存在振動及電磁干擾等,選型時應提供相關信息,以便采取相應處理。在選型時,其他如電氣連接方式等也可以根據具體情況予以考慮。

 

 

正確使用

 

壓力傳感器使用過程應注意考慮下列情況:

1、防止變送器與腐蝕性或過熱的介質接觸;

2、防止渣滓在導管內沉積;

3、測量液體壓力時,取壓口應開在流程管道側面,以避免沉淀積渣;

4、測量氣體壓力時,取壓口應開在流程管道頂端,并且變送器也應安裝在流程管道上部,以便積累的液體容易注入流程管道中;

5、導壓管應安裝在溫度波動小的地方;

6、測量蒸汽或其它高溫介質時,需接加緩沖管(盤管)等冷凝器,不應使變送器的工作溫度超過極限;

7、冬季發生冰凍時,安裝在室外的變送器必需采取防凍措施,避免引壓口內的液體因結冰體積膨脹,導至傳感器損壞;

8、測量液體壓力時,變送器的安裝位置應避免液體的沖擊(水錘現象),以免傳感器過壓損壞;

9、接線時,將電纜穿過防水接頭(附件)或繞性管并擰緊密封螺帽,以防雨水等通過電纜滲漏進變送器殼體內。

 

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