压力传感器原理ppt课件.ppt

压力传感器原理简介 1 压力传感器技术原理 机械式压力传感器 液柱式包括水银柱和U型管 主要用于小量程压力检测和压差检测 由于其简单可靠和直观性 U型压差计至今仍在工业控制中得到广泛应用 但由于其无法直接得到电信号 且量程较小 限制了其在工业自动控制中的应用 2 3 金属螺旋管压敏元件和机械读数法 当弹性金属螺旋管内充满流体时 流体压力的改变会造成螺旋管的形变 从而制成压力敏感元件 所用金属螺旋管称为布尔登管 其一端固定 一端在压力作用下可自由伸缩 如自由端在压力下的位移由齿轮系统放大后 带动压力表指针转动 布尔登管压力计一般精度不高 最多只能到满量程的0 1 当被测压力在满量程下端时 误差更大 同液柱式压力计 布尔登管也难以用于工业自动控制系统 4 5 弹性膜片压敏元件及其压力计 弹性膜片是应用最广泛的压力敏感元件 不但机械式压力传感器 也是各类电子式压力传感器的基础 在均匀压力的作用下 一个周边固定半径为R的圆形金属膜片的中心点在垂直于膜片平面方向的凹凸变形量Y0 Y0 E为材料杨氏模量 v为泊松比 6 为了进一步改善灵敏度和线性范围 膜片可以设计成波纹状 下图以上介绍的机械螺旋管 膜片和波纹鼓压力敏感元件 配上机械传动的指针来显示压力数值 其虽然可以直观地显示流体的压力 但不能适应现代工业遥测和自动控制的需要 7 采用位移式传感器测量压力 为了能将压力转换为电信号 机械式膜片和波纹鼓动位移用电子位移传感器测出 机械式压力计便成为可直接应用于现代工业自动化系统中的电子类压力传感器 如可变电势差压力传感器 其测量电路简单 信号无需放大 但其体积大 动态响应差 接点易磨损 8 可变电势差压力传感器 9 线性差分变压器非常适合测量微小的位移 可达亚微米级 灵敏度极高 而其两个输出线圈构成一个差分信号检测电路 抗干扰能力很强 但其机械结构复杂 体积大 动态响应差 10 电容式压力传感器 膜片电容压力传感器是两个相互电绝缘的有一定导电性的极板组成 可看成一标准的平行板电容器 其中一个电极板是可在外加压力的作用下产生形变的弹性膜片 另一个极板固定在传感器的外壳上不会在压力作用下变形 当压力变化引起检测极板变形改变压力电容器极板间距 进而引起电容量变化来检测压力变化 11 电容式绝对压力传感器 12 膜片电容压力传感器也可设计成差分式 以提高灵敏度 稳定性和抗干扰能力 压敏膜片是公用的极板 另外两个极板固定 膜片两方压力不同 膜片的变形导致一侧电容增加 另一侧电容下降 两个压力电容与另外两个外接电容组合成交流电桥 可以非常灵敏的测量两个压力电容的差值 13 硅微加工电容式压力传感器 其体积小 集成度高 成本低 静态和动态性能良好 可大批量制造 其以半导体硅为基板 首先形成氧化硅或氮化硅绝缘层 再形成一层金属薄膜电极 电极的上方是绝缘的氧化硅或氮化硅围成的空腔 空腔上口是单晶硅 多晶硅或氮化硅弹性膜片 膜片上表面为薄膜金属电极层 目前硅微加工电容式压力传感器是应用最为普遍的压力传感器之一 14 15 基于压阻应变片的压力传感器 在现代各类原理的压力传感器中 以压阻应变片为基础的压力传感器是应用最广泛的两种类型中的一种 另一种既是电容式压力传感器 此两类原理有可分为粘贴应变片式压力传感器 薄膜应变片式压力传感器 硅压阻压力传感器 厚膜压阻压力传感器 硅电容压力传感器 厚膜电容压力传感器 各类应变片 如线绕式应变片 金属合金薄膜 半导体厚膜或薄膜均可以和弹性膜片配合 制成不同结构的压力传感器 16 应变片技术原理 以线体导电丝为例 设其长度为L 截面积为A 电阻率为 其电阻值可表示为R 当导电丝沿长度受到应力影响发生应变时 其长度 截面积 电阻率均会有微小的改变 电阻也因而改变 压阻应变片一般是将压阻材料镀在绝缘材料极板上而成 对压阻材料的基本要求如下 线性度好 以便简化读出电路并提高检测精度 灵敏度系数高 以便提高电信号的幅度 降低电路读出误差 应变范围大 以便于增大应用范围 电阻率高 以便减小应变传感器的尺寸并与测量电路相匹配 小电流 滞后效应低 以便传感器能有很好的重复性和良好的响应 温度系数低 可简化温度补偿的设计 温度范围大 可在各种环境温度下使用 化学稳定性强 不受环境因素的影响而变质 作长期高精度的测量 疲劳寿命长 以便用来做动态应变测量 17 能满足以上条件的敏感材料并不存在 各类应变片仅能满足特定的需求 金属合金膜应变片其性能稳定 温度系数小 量程宽 但其灵敏度系数低 信号较小 薄膜半导体应变片具有较高的灵敏度系数 信号很大 但温度系数高 稳定性差 陶瓷厚膜应变片采用粉末烧结工艺制作 主要应用于高温环境中 单晶硅制作的半导体应变片其应变灵敏度特大 但其温度系数也最大 18 19 膜片的边缘和圆心应变为最大值 是测量应变的最有利位置 20 电阻丝压力传感器 属于非粘贴类的压阻压力传感器 通过敏感膜片的位移引起合金丝张力变化进而导致电阻的变化 其体积大 制作一致性差 温度引起合金丝张力变化导致零点漂移也大 21 贴片式应变压力传感器 将微型应变片用粘合剂粘贴在弹性金属膜片表面 通过测量其应变将压力转换成电信号 此技术很适合于极端环境 如高温 高压 辐射 如将硅应变片粘贴于金属弹性膜片上 则可大幅提高灵敏度 金属合金电阻灵敏系数仅为2 而单晶硅灵敏系数则可达200 但此类结构压力传感器应用中遇到的困难主要是热膨胀系数不同引起的温度漂移 工作温度不宜超过80度和粘合剂塑性变形导致响应恢复较慢 为了解决此问题 就发展了薄膜应变压力传感器 22 薄膜应变压力传感器 薄膜式压阻压力传感器将压敏电阻直接沉积在金属弹性膜片上 可以避免胶粘剂工艺带来的麻烦 其制作工艺如下 首先制备绝缘膜 金属弹性膜片上首先用真空镀 离子溅射等方法形成一层金属氧化物陶瓷或玻璃薄膜 然后用薄膜工艺在绝缘膜上制作压阻薄膜 压阻薄膜材料用合金或硅均可 最后将压阻薄膜用光刻或等离子刻蚀成需要的图形 23 压阻式硅微加工压力传感器 以上压阻式压力传感器的体积均较大 加工困难 制作效率较低 成本也较高 因而在硅微加工技术成熟时 压阻式硅微加工压力传感器便成为压阻类压力传感器的主流 本结构压力传感器从硅片开始 用化学或等离子刻蚀的方法形成很小的膜片及膜片下的空腔 弹性膜片和压力空腔可采用同一片硅片 当然弹性膜片也可不用硅片而用机械性能和化学稳定性更好的二氧化硅或氮化硅 此结构传感器最小可致100微米 可大规模批量生产 成本很低 特别是将读出电路集成在硅膜片的四周 省去了外部的读出电路 电路板和电缆