ZJ压力传感器讲座

1、压力传感器讲座压力传感器讲座20132013年年3 3月月目目 录录 一、压力的概念一、压力的概念二、压力单位及其转换二、压力单位及其转换三、压力传感器的主要分类及性能对比三、压力传感器的主要分类及性能对比四、压力传感器的基本技术参数四、压力传感器的基本技术参数五、薄膜压力传感器技术简介五、薄膜压力传感器技术简介六、薄膜压力传感器应用介绍六、薄膜压力传感器应用介绍2 2一一 、压力的概念、压力的概念 我们所说的压力，实际上是物理概念中的我们所说的压力，实际上是物理概念中的压强压强，即垂直作，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常有用在单位面积上的力。在压力测量中，常有绝对压力绝对压力、表

2、压力表压力、负压力负压力或或真空度真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，它是表压与大气压力之和。绝对压力单位面积上的全部压力，它是表压与大气压力之和。绝对压力与大气压力之差，称为表压力。当绝对压力值小于大气压力值与大气压力之差，称为表压力。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。真空度。既能测量压力值又能测量真空度的仪表叫压力真空表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力。

3、用来测量大地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力。用来测量大气气压的仪表叫气压表。气气压的仪表叫气压表。 3 34 4绝对压力：表压+大气压；密封表压：传感器内部密封1个大气压，实际测量的压力 为对应该压力的表压；差 压：二压力值之差。绝压表压差压大气压力零点压力4 4二二 、压力单位及其转换、压力单位及其转换1帕（Pa）=1牛顿/米2=7.501x10-3mmHg =0.10197mmH2O =7.500610-3托(Torr) = 9.86910-6物理大气压(ATM) = 1.0210-5工程大气压(kg/cm2) =10-5巴（bar） =1.4510-4磅平方英寸（psi）1To

4、rr=0.133kpa 1psi=6.89kpa 1bar=100kpa 注：标准大气压（1atm）相当于高度为760mm水银柱的压力。 5 5三三 、压力传感器的主要分类及性能特点、压力传感器的主要分类及性能特点用来测量用来测量气体气体或或液体液体压力的传感器称为压力的传感器称为压力传感器。根据分类不同，压力传感器种压力传感器。根据分类不同，压力传感器种类多种多样。类多种多样。根据测量原理分类如下：根据测量原理分类如下：6 6测量原理测量原理 传感器举例传感器举例变电阻应变式应变式、压阻式压阻式、电位器式等传感器变电容电容式电容式传感器变电荷压电式传感器变磁阻自感式、差动变压器式等传感器变电

5、势热电偶式、霍尔式等传感器各种压力传感器性能对比各种压力传感器性能对比种类种类优点优点缺点缺点扩散硅（压阻式）1、精度高；2、小量程和绝压产品优于其它类型产品。1、低于0高于40后温度稳定性能大幅度降低；2、膜片易损坏，温漂大；3、压力量程局限。厚膜陶瓷（压阻式）1、成本低；2、抗腐蚀性能好；3、使用范围较扩散硅宽。1、不稳定；2、压力下降时，回零难；3、精度差，膜片易碎。电容式1、工艺成熟，稳定性较好；2、过载能力强，抗腐蚀性强。1、成本很高；2、体积大，安装维护不方便。应变片（应变式）1、成本低；2、成熟胶粘工艺。1、手工生产，离散性大；2、漂移大，稳定性差。蓝宝石1、精度高，温度范围宽；

6、2、量程范围宽；3、体积小、重量轻。1、成本高；2、工艺复杂技术要求高；3、敏感材料需要进口。原子薄膜（应变式）1、精度高，温度范围宽；2、温漂小，稳定性好；3、体积小、重量轻；1、成本高；2、不适合小量程和差压测量。7 7注：资料来源于传感器应用技术和英国ELLISON压力传感器产品手册四、压力传感器的基本技术参数四、压力传感器的基本技术参数传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系特性，一般分为静态静态特性和动态动态特性两大类。压力传感器的静态特性主要有以下几个指标：1、测量范围（量程）2、线性度（非线性误差）3、迟滞（滞后、回滞）4、重复性5、基本误差（精确度）6、稳定性: 温度稳

7、定性零点漂移（时漂）、热零点漂移（温漂） 时间稳定性用%FS/年或%FS/月表示8 89 9五、薄膜压力传感器简介五、薄膜压力传感器简介薄膜压力传感器工作原理薄膜压力传感器工作原理R1R3R2R4Uo-Uo+Vin-Vin+U0=ER1R3R2R4(R1+R2)*(R3+R4)9 91010钢杯及其表面薄膜结构钢杯及其表面薄膜结构采用特殊组分的采用特殊组分的NiCr金属材料，添加适量稀土和铝元素制金属材料，添加适量稀土和铝元素制作新型敏感材料；作新型敏感材料；在在400400高温下可长期稳定工作；高温下可长期稳定工作； TCR2ppm/。主要创新点1：极低温度系数新组分合金敏感材料极低温度系数

8、新组分合金敏感材料材料名称材料名称电阻温度系数电阻温度系数(10-6/)灵敏系数灵敏系数线膨胀系数线膨胀系数(10-6/)6J22/23202.42.613.3PtW1923.29新组份新组份NiCr22.82.71112主要创新点2：纳米功能薄膜设计与制备技术纳米功能薄膜设计与制备技术 优质纳米功能薄膜 采用采用真空真空纳米纳米薄膜制备系统薄膜制备系统制备优质功能薄膜，保证压制备优质功能薄膜，保证压力传感器的综合性力传感器的综合性能能。纳米薄膜，纳米薄膜，致密，附着力大致密，附着力大大提高；大提高；界面原子結合，提高了界面原子結合，提高了疲劳疲劳性能性能，传感器蠕变和滞后极，传感器蠕变和滞后

9、极小，改善了传感器的静态特小，改善了传感器的静态特性；性；膜的散热性好，膜的散热性好，改善了传感改善了传感器温度性能；器温度性能；膜针孔少，提高了膜针孔少，提高了绝缘性能。绝缘性能。13零点温度漂移4ppm1414薄膜压力传感器制造过程薄膜压力传感器制造过程1515薄膜压力传感器薄膜压力传感器1616OEMOEM型型标准型标准型1717超高温型超高温型本安型本安型1818航天型航天型HARTHART型型1919潜水型潜水型油田型油田型2020 指标单位绝缘性M桥臂电阻K零点温度漂移%FS/长时间稳定性%FS/年工作温度范围量 程MPa精度等级%FS美国欧美茄公司500(45V)230.060.

10、2-54 1770-1400.250.17美国PCB公司2.550.20.1-40 1250-400.50.1法国Fagor公司10010.01-55 1500-330.50.15州际州际科技科技5000 (100V)3100.0050.1-196 3500-2000.50.05州际州际压力传感器与世界同类产品的比较1、确定压力类型确定压力类型：表压、绝压、差压；2、确定压力确定压力范围范围：量程；3、选择压力选择压力单位单位：bar、psi、MPa等；4、选择输出形式选择输出形式：mV、420mA、05V、010V等;5、选择机械接选择机械接口口：公制、英制及规格大小等；6、选择电气连接选择

11、电气连接：导线输出、航空插头等；7、确定产品精度确定产品精度：0.1%、 0.2%、 0.5%等；8、确定温度范围确定温度范围：工作温度和介质温度范围；9、确定其它确定其它选项选项。2121订货注意事项订货注意事项：2222 产品可应用于产品可应用于导弹、舰艇、战车、航天导弹、舰艇、战车、航天飞行器、飞机、坦克飞行器、飞机、坦克等军事装备中。主要用等军事装备中。主要用于上述装备的发动机的压力测量以及于上述装备的发动机的压力测量以及军用卫军用卫星星燃料控制系统、地面发射系统及其它液压燃料控制系统、地面发射系统及其它液压控制系统的压力测量，为我国军用压力传感控制系统的压力测量，为我国军用压力传感器

12、提供新产品。在民用方面可应用于器提供新产品。在民用方面可应用于石油、石油、化工、冶金、机械、汽车、水处理、生物制化工、冶金、机械、汽车、水处理、生物制药药等行业。等行业。六、薄膜压力传感器应用介绍六、薄膜压力传感器应用介绍2323导弹中的应用导弹中的应用 导弹发射的发射系统、动力控制系统等均导弹发射的发射系统、动力控制系统等均需使用高性能的压力传感器对压力进行精确测需使用高性能的压力传感器对压力进行精确测量与控制。量与控制。2424舰船中的应用舰船中的应用 现代舰船装备的传感器群中包括压力、位置、现代舰船装备的传感器群中包括压力、位置、速度、扭矩、流量、偏航速率等。每十万吨级速度、扭矩、流量、

13、偏航速率等。每十万吨级使用传感器达使用传感器达15001500多个，其中压力传感器多个，其中压力传感器500500多多个。个。中国船舶工业总公司设计的柴油机需要中国船舶工业总公司设计的柴油机需要300300的的高温压力传感器，高温压力传感器，20002000美元美元/ /只从国外进口。只从国外进口。2 25 5坦克中的应用坦克中的应用 坦克发动机系统中的各种压力测量以坦克发动机系统中的各种压力测量以 及系统的故障诊断均需使用大量的高性能及系统的故障诊断均需使用大量的高性能 压力传感器。压力传感器。25252626 飞机中的应用飞机中的应用 目前每架军用目前每架军用飞机需飞机需2020多种力学多

14、种力学量传感器对操纵杆量传感器对操纵杆推拉力、起着陆冲推拉力、起着陆冲击力、发动机推动击力、发动机推动力、救生装置弹射力、救生装置弹射力、进气管压力场力、进气管压力场的分布及动态中各的分布及动态中各种压力传感器等。种压力传感器等。 2727航天飞船中的应用航天飞船中的应用 航天飞船需使用大量的高性能压力传感器。舱内有环境控制航天飞船需使用大量的高性能压力传感器。舱内有环境控制与生命保障系统，向航天员提供与地面相似的压力、氧气、温度与生命保障系统，向航天员提供与地面相似的压力、氧气、温度和湿度条件。压力服装则由躯干肢体服、压力调节器、压力表及和湿度条件。压力服装则由躯干肢体服、压力调节器、压力表

15、及颈部防水隔膜组成。其中躯干肢体服与头盔盔壳是由气密层和限颈部防水隔膜组成。其中躯干肢体服与头盔盔壳是由气密层和限制层组成，它具有可操作性能，用来维持服装的气密、承受服装制层组成，它具有可操作性能，用来维持服装的气密、承受服装压力、保持人体形态不变；压力表则放置在航天服的左前臂，用压力、保持人体形态不变；压力表则放置在航天服的左前臂，用于指示服装内压力等。于指示服装内压力等。2828石油行业中的应用石油行业中的应用 一个大型油田需要使用近一个大型油田需要使用近30003000万美元万美元高温（高温（125-150125-150）压力）压力传感器产品（如大庆油田每年使传感器产品（如大庆油田每年使

16、用约用约25002500万美元压力传感器）。万美元压力传感器）。目前，我国有十七个海上和陆上目前，我国有十七个海上和陆上石油生产基地，石油生产基地，160160多个油田，近多个油田，近5050个汽油田。由于以前国产传感个汽油田。由于以前国产传感器重复性、零点漂移、超负荷能器重复性、零点漂移、超负荷能力、抗干扰性、抗腐蚀性、抗震力、抗干扰性、抗腐蚀性、抗震性、工作温度范围等均不能达到性、工作温度范围等均不能达到使用要求。因此，这部分超过使用要求。因此，这部分超过1010亿元亿元人民币的压力传感器、变送人民币的压力传感器、变送器市场基本上为国外厂家所占领。器市场基本上为国外厂家所占领。上海金山石化

17、总厂各分厂耐高温耐腐蚀的压力传感器，上海金山石化总厂各分厂耐高温耐腐蚀的压力传感器，全从国外进口。全从国外进口。2929化工行业中的应用化工行业中的应用 一个大型化工厂需使一个大型化工厂需使用压力传感器近用压力传感器近1000010000只只（四川化工总厂使用压力传（四川化工总厂使用压力传感器、变送器感器、变送器70007000多只，上多只，上海金山石化总厂第一期海金山石化总厂第一期1111万万吨乙烯工程试用吨乙烯工程试用1500015000只压力传感器），我国拥有大型只压力传感器），我国拥有大型化工企业几十家，需要使用力传感器和变送器产品超过化工企业几十家，需要使用力传感器和变送器产品超过3

18、030万只，产值超过万只，产值超过6.46.4亿元。由于目前国内传感器产品亿元。由于目前国内传感器产品达不到要求（尤其是高温、高压、高稳定性压力传感器达不到要求（尤其是高温、高压、高稳定性压力传感器产品达不到要求），实际使用的压力传感器中，产品达不到要求），实际使用的压力传感器中，80%80%从从日、美、德等国进口。日、美、德等国进口。 冶金工业中需要耐高温，防潮，耐振动，抗干扰和高可冶金工业中需要耐高温，防潮，耐振动，抗干扰和高可靠靠的传感器的传感器。据调查统计，。据调查统计，“十五十五”期间我国钢铁行业各种期间我国钢铁行业各种传感器在线量约传感器在线量约800800万只，年需求量万只，年需

19、求量300300万只，其中压力传万只，其中压力传感器感器130130万只万只。3030冶金行业中的应用冶金行业中的应用秦山核电站进出水口秦山核电站进出水口285/5285/5 MPa压力传感器采用进口产品。压力传感器采用进口产品。3131空调压力传感器空调压力传感器制动系统用压力传感器制动系统用压力传感器发动机用压力传感器发动机用压力传感器MAP系统用压力传感器系统用压力传感器汽车行业中的应用汽车行业中的应用 一般汽车需要使一般汽车需要使用压力传感器近用压力传感器近1010只，而需要高性能只，而需要高性能的压力传感器的压力传感器5 5只。只。中国中国20112011年年产汽年年产汽车车1850

20、1850万辆万辆，年需，年需高性能压力传感器高性能压力传感器92509250万只万只。而目前。而目前这种汽车用的高性这种汽车用的高性能压力传感器产品能压力传感器产品大都从国外进口。大都从国外进口。3232No.应用压力范围(MPa)1Braking pressure，electropneumatic brakes制动压力的测量，电动气动控制器122Air-spring pressure for vehicles with air suspension用于汽车空气悬架的空气弹簧压力的测量 1.62.03Hydraulic reservoir pressure,ABS,power steering液压系统油箱的压力，ABS、动力方向盘的压力测量20254Shock-absorber pressure,chassis and suspension-control systems减震器的压力的测量，底盘和悬挂控制系统205Refrigerant pressure,air-conditioning systems制冷压力的测量，空调系统 3.56Modulation pressure,automat