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压力传感器介绍、压力传感器常见故障分析、压力传感器选型方法

时间:2020-12-22 来源:上海允申科技 点击次数:

近年来,我国压力传感技术正在蓬勃发展,应用领域也在迅速扩大,由于压力传感器技术所涉及的技术广泛,如今广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、智能建筑、生产自控、铁路交通、航空航天、石化、油井、电力、军工、机床、管道等众多行业。在购买压力传感器之前,我们需要对它有一个深入的了解,下面给大家对压力传感器做一下简单的介绍。


压力传感器分类
一、压电压力传感器
压电式压力传感器主要基于压电效应(Piezoelectric effect),利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作的测量精密仪器,比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中,原因是受到外力作用后的电荷,当回路有无限大的输入抗阻的时候,才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。



二、压阻压力传感器
压阻压力传感器主要基于压阻效应(Piezoresistive effect)。压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于上述压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。其中半导体材料中的压阻效应远大于金属。由于硅是现今集成电路的主要,以硅制作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义。硅的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变,而且也来自材料本身与应力相关的电阻,这使得其程度因子大于金属数百倍之多。N型硅的电阻变化主要是由于其三个导带谷对的位移所造成不同迁移率的导带谷间的载子重新分布,进而使得电子在不同流动方向上的迁移率发生改变。其次是由于来自与导带谷形状的改变相关的等效质量(effective mass)的变化。在P型硅中,此现象变得更复杂,而且也导致等效质量改变及电洞转换。




三、电容式压力传感器
电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件,将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

四、电磁压力传感器
主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。
1、电感压力传感器
①电感式压力传感器是由于磁性材料和磁导率不同,当压力作用于膜片时,气隙大小发生改变,气隙的改变影响线圈电感的变化,处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出,从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大;缺点就是不能应用于高频动态环境。


②变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时,气隙大小改变,即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压,电流会随着气隙的变化而变化,从而测出压力。

③在磁通密度高的场合,铁磁材料的导磁率不稳定,这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯,压力的变化导致磁性元件的移动,从而磁导率发生改变,由此得出压力值。
2、霍尔压力传感器
①霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的?;舳вκ侵傅惫烫宓继宸胖迷谝桓龃懦∧?,且有电流通过时,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。
②在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
③当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频率的交变电动势,建立霍尔电动势的时间极短,故其响应频率高。理想霍尔元件的材料要求要有较高的电阻率及载流子迁移率,以便获得较大的霍尔电动势。常用霍尔元件的材料大都是半导体,包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料,N型硅的霍尔系数、温度稳定性和线性度均较好,砷化镓温漂小,目前应用。
3、电涡流压力传感器
基于电涡流效应的压力传感器。电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交,或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之,就是电磁感应效应所造成。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性,因此电涡流压力传感器可用于静态力的检测。
五、振弦式压力传感器
振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器,这种频率测量具有想当高的准确度,因为时间和频率是能准确测量的物理量参数,而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时,振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力,零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定,便于数据传输、处理和存储,容易实现仪表数字化,所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦,敏感元件的固有频率与拉紧力的大小有关。弦的长度是固定的,弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小,即输入是力信号,输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成,下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳,包含一个电子??楹鸵桓鼋酉叨俗?,分成两个小室放置,这样在接线时就不会影响电子??槭业拿芊庑?。

压力传感器常见的四种故障
第一种是压力上去,传感器输也上不去。此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常则进行简单加压看输出是否变化,或者察看传感器零位是否有输出,若无变化则传感器已损坏,可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题。
第二种是加压传感器输出不变化,再加压传感器输出突然变化,泄压传感器零位回不去,很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因,传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器,加压时压力介质进不去,但在压力大时突然冲开密封圈,压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下,直接察看零位是否正常,若零位正??筛幻芊馊υ偈?。
第三种是传感器输出信号不稳。这种故障有可能是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力,很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障;

第四种是传感器与指针式压力表对照偏差大。出现偏差是正常的现象,确认正常的偏差范围即可;
最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小,变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向,安装固定后调整变送器零位到标准值。

压力传感器无法避免的误差
1、偏移量误差
由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定,因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。
2、灵敏度误差
产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值,灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值,那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。
3、线性误差
这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素,该误差的产生原因在于硅片的物理非线性,但对于带放大器的传感器,还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线,也可以是凸形曲线。
4、滞后误差
在大多数情形中,压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计,因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。

压力传感器的抗干扰措施
1、保持稳定度
大部分传感器在经过超时工作后会产生“漂移”,因此很有必要在购买前了解传感器的稳定度,这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。
2、压力传感器的封装
传感器的封装,尤其往往容易忽略是它的机架,然而这一点在以后使用中会逐渐暴露出其缺点。在选购传送器传一定要考虑到将来传感器的工作环境,湿度如何,怎样安装传感器,会不会有强烈撞击或振动等。
3、选择输出信号
压力传感器需要得到怎样的输出信号:mV、V、mA及频率输出数字输出,取决于多种因素,包括传感器与系统控制器或显示器间的距离,是否存在“噪声”或其他电子干扰信号。是否需要放大器,放大器的位置等。对于许多传感器和控制器间距离较短的OEM设备,采用mA输出的传感器最为经济而有效的解决方法,如果需要将输出信号放大,最好采用具有内置放大的传感器。对于远距离传输出或存在较强的电子干扰信号,最好采用mA级输出或频率输出。
如果在RFI或EMI指标很高的环境中,除了要注意到要选择mA或频率输出外,还要考虑到特殊的?;せ蚬似?。(目前由于各种采集的需要,现在市场上压力传感器的输出信号有很多种,主要有4-20mA,0-20mA,0-10V,0-5V等等,在上面举例的这些输出信号中,只有4-20mA为两线制,我们所说的输出为几线制不包含接地或屏蔽线,其他的均为三线制)。
4、选择励磁电压
输出信号的类型决定选择怎么样的励磁电压。许多放大传感器有内置的电压调节装置,因此其电源电压范围较大。有些奕送器是定量配置,需要一个稳定的工作电压,因此,能够得到的一个工作电压决定是否采用带有调节器的传感器,选择传送器时要综合考虑工作电压与系统造价。
5、是否需要具备互换性的传感器
确定所需的传感器是否能够适应多个使用系统,尤其是对于OEM产品。一旦将产品送到客户手中,那么客户用来校准的花销是相当大的。如果产品具有良好的互换性,那么即使是改变所用的传感器,也不会影响整个系统的效果。另外,我们确定上面的一些参数之后还要确认你的压力传感器的过程连接接口以及压力传感器的供电电压,如果在特殊的场合下使用还要考虑防爆以及防护等级。

压力传感器选型注意事项
1、确认压力测量的类型即要测的是表压、绝压还是差压。表压是指以大气压为零点的压力值,可以有正负值,高于大气压的为正,低于大气压的为负。绝差是指以绝对真空为零点的压力值,绝压只有正值,没有负值。差压是指两个压力之间的差值。绝压测量是将一个参考的压力封闭在传感器的芯片之中,通常这个压力的大小只有真空(小于5mtor)和标准大气压(14.7psi)两种,参考压力为真空的传感器我们称为绝压传感器,为一个标准大气压的传感器我们称为密封表压传感器。因为所有的传感器都是测量加在传感器两面膜片上的压力差,但是差压传感器的压力参考端的压力是可以变化的。因此表压传感器(参考端通过一个小孔可以接通大气)仅是一种普通形式的差压传感器。
2、确认被测的介质,是气体还是液体,被测介质有没有腐蚀性,如果测的是液体,你需不需要把传感器投入液体中。
3、确认测量的压力范围。
4、确认准确度等级(精度)。压力传感器的测量误差按精度等级进行划分,不同的精度等级对对应不同的基本误差限,以F.S%表示。市面上一般精度等级有0.1、0.25、0.3、0.5、1.0等几种,选型时可按照所需的准确度进行选择。
5、确认工作温度范围。被测介质的温度应处于压力传感器的工作范围以内,否则测量结果误差将会较大且会影响传感器的寿命。如被测介质温度较高,可使用高温压力传感器,或者安装冷疑管降温等。
6、确认压力的接口。压力接口即你所需要的螺纹接口,M20*1.5、G1/4、NPT1/4等为通用接口,其它螺纹接口可定制。
7、确认输出信号。输出信号一般为0~24mADC,0~5VDC,0.5~4.5VDC,1~5VDC,0~10VDC等。
8、确认供电电压。
9、确认工作环境。是否存在振动或者电磁干扰等
10、确认电气连接方式等。即压力传感器信号输出到什么上面,是PLC或者其它。

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