隨著自動化技術的進步,在工業設備中,除了液柱式壓力計、彈性式壓力表外,目前更多的是採用可將壓力轉換成電信號的壓力變送器和壓力感測器。
隨著自動化技術的進步,在工業設備中,除了液柱式壓力計、彈性式壓力表外,目前更多的是採用可將壓力轉換成電信號的壓力變送器和壓力感測器。那麼這些壓力變送器和壓力感測器是如何將壓力信號轉換為電信號的呢?不同的轉換方式又有什麼特點呢?今天小編為大家匯總了目前常見的幾種壓力感測器的工作原理,希望能對大家有所幫助。
一、壓電壓力感測器
壓電式壓力感測器主要基於壓電效應(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感測器。壓電感測器不可以應用在靜態的測量當中,原因是受到外力作用後的電荷,當迴路有無限大的輸入抗阻的時候,纔可以得以保存下來。但是實際上並不是這樣的。因此壓電感測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係數和壓電靈敏度的,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。
以壓電效應為工作原理的感測器,是機電轉換式和自發電式感測器。它的敏感元件是用壓電的材料製作而成的,而當壓電材料受到外力作用的時候,它的表面會形成電荷,電荷會通過電荷放大器、測量電路的放大以及變換阻抗以後,就會被轉換成為與所受到的外力成正比關係的電量輸出。它是用來測量力以及可以轉換成為力的非電物理量,例如:
加速度和壓力。它有很多優點:重量較輕、工作可靠、結構很簡單、信噪比很高、靈敏度很高以及信頻寬等等。但是它也存在著某些缺點:有部分電壓材料忌潮濕,因此需要採取一系列的防潮措施,而輸出電流的響應又比較差,那就要使用電荷放大器或者高輸入阻抗電路來彌補這個缺點,讓儀器更好地工作。
二、壓阻壓力感測器
壓阻壓力感測器主要基於壓阻效應(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。不同於上述壓電效應,壓阻效應只產生阻抗變化,並不會產生電荷。
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於金屬。由於硅是現今集成電路的主要,以硅製作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。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於金屬數百倍之多。N型硅的電阻變化主要是由於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佈,進而使得電子在不同流動方向上的遷移率發生改變。其次是由於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,此現象變得更複雜,而且也導致等效質量改變及電洞轉換。
壓阻壓力感測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,電橋處於平衡狀態(稱為零位),當感測器受壓後晶元電阻發生變化,電橋將失去平衡。若給電橋加一個恆定電流或電壓電源,電橋將輸出與壓力對應的電壓信號,這樣感測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,經過放大後,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係的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,壓力感測器都採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。