应变片压力传感器原理与应用

应变片压力传感器原理与应用 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件 它是压阻式应变传感器的主要组 成部分之一 电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种 金属电阻应变片又有丝状应变片 和金属箔状应变片两种 通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上 当基体受力发 生应力变化时 电阻应变片也一起产生形变 使应变片的阻值发生改变 从而使加在电阻上的电压发生变化 这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小 一般这种应变片都组成应变电桥 并通过后续的仪表放大器进 行放大 再传输给处理电路 通常是 A D 转换和 CPU 显示或执行机构 金属电阻应变片的内部结构 如图 1 所示 是电阻应变片的结构示意图 它由基体材料 金属应变丝或应变箔 绝缘保护片和引出线等部分 组成 根据不同的用途 电阻应变片的阻值可以由设计者设计 但电阻的取值范围应注意 阻值太小 所需的 驱动电流太大 同时应变片的发热致使本身的温度过高 不同的环境中使用 使应变片的阻值变化太大 输出 零点漂移明显 调零电路过于复杂 而电阻太大 阻抗太高 抗外界的电磁干扰能力较差 一般均为几十欧至 几十千欧左右 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象 俗称为电 阻应变效应 金属导体的电阻值可用下式表示 式中 金属导体的电阻率 cm2 m S 导体的截面积 cm2 L 导体的长度 m 我们以金属丝应变电阻为例 当金属丝受外力作用时 其长度和截面积都会发生变化 从上式中可很容易看 出 其电阻值即会发生改变 假如金属丝受外力作用而伸长时 其长度增加 而截面积减少 电阻值便会增大 当金属丝受外力作用而压缩时 长度减小而截面增加 电阻值则会减小 只要测出加在电阻的变化 通常是测 量电阻两端的电压 即可获得应变金属丝的应变情况 2 陶瓷压力传感器原理及应用 抗腐蚀的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 由于压敏电阻的压阻效应 使电桥产生一个 与压力成正比的高度线性 与激励电压也成正比的电压信号 标准的信号根据压力量程的不同标定为 2 0 3 0 3 3 mV V 等 可以和应变式传感器相兼容 通过激光标定 传感器具有很高的温度稳定性和时间 稳定性 传感器自带温度补偿 0 70 并可以和绝大多数介质直接接触 陶瓷是一种公认的高弹性 抗腐蚀 抗磨损 抗冲击和振动的材料 陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻 可以使它的工作温度范围高达 40 135 而且具有测量的高精度 高稳定性 电气绝缘程度 2kV 输出 信号强 长期稳定性好 高特性 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替代扩散硅压力传感器 3 扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上 不锈钢或陶瓷 使膜片产生与介质压力成正比的微位移 使 传感器的电阻值发生变化 和用电子线路检测这一变化 并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号 4 蓝宝石压力传感器原理与应用 利用应变电阻式工作原理 采用硅 蓝宝石作为半导体敏感元件 具有无与伦比的计量特性 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成 不会发生滞后 疲劳和蠕变现象 蓝宝石比硅要坚固 硬度更高 不怕 形变 蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性 1000 OC 以内 因此 利用硅 蓝宝石制造的半导体敏感元件 对温度变化不敏感 即使在高温条件下 也有着很好的工作特性 蓝宝石的抗辐射特性极强 另外 硅 蓝 宝石半导体敏感元件 无 p n 漂移 因此 从根本上简化了制造工艺 提高了重复性 确保了高成品率 用硅 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器 可在最恶劣的工作条件下正常工作 并且可靠性高 精度好 温度误差极小 性价比高 表压压力传感器和变送器由双膜片构成 钛合金测量膜片和钛合金接收膜片 印刷有异质外延性应变灵敏电 桥电路的蓝宝石薄片 被焊接在钛合金测量膜片上 被测压力传送到接收膜片上 接收膜片与测量膜片之间用 拉杆坚固的连接在一起 在压力的作用下 钛合金接收膜片产生形变 该形变被硅 蓝宝石敏感元件感知后 其电桥输出会发生变化 变化的幅度与被测压力成正比 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电 并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出 0 5 4 20mA 或 0 5V 在绝压压力传感器和变送器中 蓝宝石薄片 与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起 起到了弹性 元件的作用 将被测压力转换为应变片形变 从而达到压力测量的目的 压电压力传感器原理与应用 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英 酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 其中石英 二氧化硅 是一种天然 晶体 压电效应就是在这种晶体中发现的 在一定的温度范围之内 压电性质一直存在 但温度超过这个范围 之后 压电性质完全消失 这个高温就是所谓的 居里点 由于随着应力的变化电场变化微小 也就说压电 系数比较低 所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数 但 是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用 磷酸二氢胺属于人造晶体 能够承受高温和相当高的湿度 所以已经得到了广泛的应用 现在压电效应也应用在多晶体上 比如现在的压电陶瓷 包括钛酸钡压电陶瓷 PZT 铌酸盐系压电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷等等 压电效应是压电传感器的主要工作原理 压电传感器不能用于静态测量 因为经过外力作用后的电荷 只 有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存 实际的情况不是这样的 所以这决定了压电传感器只能够测量 动态的应力 压电传感器主要应用在加速度 压力和力等的测量中 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计 它具 有结构简单 体积小 重量轻 使用寿命长等优异的特点 压电式加速度传感器在飞机 汽车 船舶 桥梁和 建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用 特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位 压电式传感器 也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量 也可以用于军事工业 例如用它来测量枪炮子弹 在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力 它既可以用来测量大的压力 也可以用来测量微小的 压力 电容式压力传感器简介 科学技术的不断发展极大地丰富了压力测量产品的种类 现在 压力传感器的敏感原理不仅有电容式 压阻式 金属应变式 霍尔式 振筒式等等但仍以电容式 压阻式和金属应变式传感器最为多见 金属应变式压力 传感器是一种历史较长的压力传感器 但由于它存在迟滞 蠕变及温度性能差等缺点 其应用场合受到了很大 的限制 压阻式传感器是利用半导体压阻效应制造的一种新型的传感器 它具有制造方便 成本低廉等特 点 但由于半导体材料对温度极为敏感 所以其性能受温度影响较大 产品的一致性较差 电容式传感器 是应用最广泛的一种压力传感器 其原理十分简单 一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为 C s d 为平行平板间介质的介电常数 d 为极板的间距 s 为极板的覆盖面积 改变其 中某个参数 即可改变电容量 由于结构简单 几乎所有电容式压力传感器均采用改变间隙的方法来获得可变 电容 电容式传感器的初始电容值较小 一般为几十皮法 它极易受到导线电容和电路的分布电容的影响 因 而必须采用先进的电子线路才能检测出电容的微小变化 可以说 一个好的电容式传感器应该是可变电容设计 和信号处理电路的完美结合 压力传感器知识 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 而我们通常使用的压力传感器主 要是利用压电效应制 造而成的 这样的传感器也称为压电传感器 我们知道 晶体是各向异性的 非晶体是各向同性的 某些晶体介质 当沿着一定 方向受到机械力 作用发生变形时 就产生了极化效应 当机械力撤掉之后 又会重新回 到不带电的状态 也就是受到压力 的时候 某些晶体可能产生出电的效应 这就是所谓 的极化效应 科学家就是根据这个效应研制出了压力 传感器 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英 酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 其中石 英 二氧化硅 是一种天然晶体 压电效应就是在这种晶体中发现的 在一定的温度范 围之内 压电性质一直存在 但温 度超过这个范围之后 压电性质完全消失 这个高温 就是所谓的 居里点 由于随着应力 的变化电场变化微小 也就说压电系数比 较低 所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代 而酒石酸钾钠具 有很大的压电灵敏度 和压电系数 但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用 磷酸二氢胺属于 人 造晶体 能够承受高温和相当高的湿度 所以已经得到了广泛的应用 在现在压电效应也应用在多晶体上 比如现在的压电陶瓷 包括钛酸钡压电陶瓷 PZT 铌酸盐系压 电陶瓷 铌镁酸铅压电陶瓷等等 压电效应是压电传感器的主要工作原理 压电传感器不能用于静态测量 因为经过 外力作用后的电荷 只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存 实际的情况不是 这样的 所以这决定了压电传感器只能 够测量动态的应力 压电传感器主要应用在加速度 压力和力等的测量中 压电式加速度传感器是一种 常用的加速度计 它具有结构简单 体积小 重量轻 使用寿命长等优异的特点 压电 式加速度传感器在飞机 汽车 船舶 桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛 的应用 特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位 压 电式传感器也可以用来测量发 动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量 也可以用于军事工业 例如用它 来测量枪炮 子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力 它既可以用来测量大的压 力 也可以用来测量微小的压力 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中 比如说心室导管式微音器就是由压电 传感器制成的 因为 测量动态压力是如此普遍 所以压电传感器的应用就非常广泛 除了压电传感器之外 还有利用压阻效应 制造出来的压阻传感器 利用应变效应的应变 式传感器等 这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同 的材料 在不同的场合能够 发挥它们独特的用途 传感器的定义 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信 号的器件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能 将检测感受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存 储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进行分类 它们的转换原理 传感器工作的基本物理或化学效应 它们的用途 它 们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等 根据传感器工作原理 可分为物理传感器和化学传感器二大类 传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应 诸如压电效应 磁致伸缩现象 离化 极化 热电 光 电 磁电等效应 被测信号量的微小变化都将转换成电信号 化学传感器包括那些以化学吸附 电化学反应等 现象为因果关系的传感器 被测信号量的微小变化也将转换成电信号 有些传感器既不能划分到物理类 也不能划分为化学类 大多数传感器是以物理原理为基础运作的 化 学传感器技术问题较多 例如可靠性问题 规模生产的可能性 价格问题等 解决了这类难题 化学传感器的 应用将会有巨大增长 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值 它是输出一输入特性曲线的斜率 如果传感器的输出和输入之间显线性关系 则灵敏度 S 是一个常 数 否则 它将随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲是输出 输入量的量纲之比 例如 某位移传感器 在位移变化 1mm 时 输出电压 变化为 200mV 则其灵敏度应表示为 200mV mm 当传感器的输出 输入量的量纲相同时 灵敏度可理解为放大倍数 提高灵敏度 可得到较高的测量精度 但灵敏度愈高 测量范围愈窄 稳定性也往往愈差 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力 也就是说 如果输入量从某一非零值缓 慢地变化 当输入变化值未超过某一数值时 传感器的输出不会发生变化 即传感器对此输入量的变化是分辨 不出来的 只有当输入量的变化超过分辨力时 其输出才会发生变化 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同 因此常用满量程中能使输出量产生阶跃变化的 输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标 上述指标若用满量程的百分比表示 则称为分辨率 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量 如位移 形变 力 加速度 湿度 温度等这些物理量转换式成电阻值 这样的一种器件 主要有电阻应变式 压阻式 热电阻 热敏 气敏 湿敏等电阻式传感器件 电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应 即在外力作用下产生机械形变 从而使电阻值随之发 生相应的变化 电阻应变片主要有金属和半导体两类 金属应变片有金属丝式 箔式 薄膜式之分 半导体应 变片具有灵敏度高 通常是丝式 箔式的几十倍 横向效应小等优点 压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散电阻而制成的器件 其基 片可直接作为测量传感元件 扩散电阻在基片内接成电桥形式 当基片受到外力作用而产生形变时 各电阻值 将发生变化 电桥就会产生相应的不平衡输出 用作压阻式传感器的基片 或称膜片 材料主要为硅片和锗片 硅片为敏感 材料而制成的硅压 阻传感器越来越受到人们的重视 尤其是以测量压力和速度的固态压阻式传感器应用最为普遍 热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数 在温 度检测精度要求比较高的场合 这种传感器比较适用 目前较为广泛的热电阻材料为铂 铜 镍等 它们具有 电阻温度系数大 线性好 性能稳定 使用温度范围宽 加工容易等特点 用于测量 200 500 范围内的 温度 传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向 输入量增大 和反向 输入量减小 行程间输出 一输入特性曲线不一 致的程度 通常用这两条曲线之间的最大差值 MAX 与满量程输出 F S 的百分比表示 迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成 传感器 一 传感器的定义 国家标准 GB7665 87 对传感器下的定义是 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件 或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 传感器是一种检测装置 能感受到被测量的信息 并能将检测感 受到的信息 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 以满足信息的传输 处理 存储 显示 记录和控制等要求 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 二 传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法 但比较常用的有如下三种 按传感器的物理量分类 可分为位移 力 速度 温度 流量 气体成份等传感器 按传感器工作原理分类 可分为电阻 电容 电感 电压 霍尔 光电 光栅 热电偶等传感器 按传感器输出信号的性质分类 可分为 输出为开关量 和 或 开 和 关 的开关型 传感器 输出为模拟型传感器 输出为脉冲或代码的数字型传感器 三 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号 传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系 因为这 时输入量和输出量都和时间无关 所以它们之间的关系 即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方 程 或以输入量作横坐标 把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述 表征传感器静态特性的主 要参数有 线性度 灵敏度 分辨力和迟滞等 四 传感器的动态特性 所谓动态特性 是指传感器在输入变化时 它的输出的特性 在实际工作中 传感器的动态特性常用 它对某些标准输入信号的响应来表示 这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得 并且它对 标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系 往往知道了前者就能推定后者 最常用 的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种 所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示 五 传感器的线性度 通常情况下 传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线 在实际工作中 为使仪表具有均匀刻度 的读数 常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线 线性度 非线性误差 就是这个近似程度的一个性能 指标 拟合直线的选取有多种方法 如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线 或将与特性曲线上 各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线 此拟合直线称为最小二乘法拟合直线 六 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值 它是输出一输入特性曲线的斜率 如果传感器的输出和输入之间显线性关系 则灵敏度 S 是一个常数 否则 它将随输入量的变化而变化 灵敏度的量纲是输出 输入量的量纲之比 例如 某位移传感器 在位移变化 1mm 时 输出电压变化为 200mV 则其灵敏度应表示为 200mV mm 当传感器的输出 输入量的量纲相同时 灵敏度可理解为放大倍数 提高灵敏度 可得到较高的测量精度 但灵敏度愈高 测量范围愈窄 稳定性也往往愈差 七 传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力 也就是说 如果输入量从某一非零值缓慢 地变化 当输入变化值未超过某一数值时 传感器的输出不会发生变化 即传感器对此输入量的变化是分辨不 出来的 只有当输入量的变化超过分辨力时 其输出才会发生变化