壓力傳感器的選擇與應(yīng)用

0  前 言

現(xiàn)代測量技術(shù)涉及到眾多的非電量，如重量、力和力矩、加速度、壓力、流量等力學(xué)量；溫度、熱量等熱學(xué)量，以及氣體、液體的成分、濃度等化學(xué)量。這些物理量進(jìn)行直接測量時(shí)非常困難和不方便，需用一種轉(zhuǎn)換裝置將其轉(zhuǎn)化為易于測量、傳輸和處理的電量，這種裝置就是傳感器。傳感器的種類很多，壓力傳感器是其中最成熟的技術(shù)，就市場銷售額來看，居傳感器之首，并且每年增長率達(dá)20 % ,具有廣闊的應(yīng)用前景。不同技術(shù)性能的壓力傳感器應(yīng)用于不同的測量需求己成為當(dāng)前壓力傳感器發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)重要課題。

1  壓力傳感器的選擇

隨著現(xiàn)代測量和自動化技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器的用量每年以20 %的速度增長。目前市場上的壓力傳感器品種繁多，規(guī)格及技術(shù)性能不一，價(jià)格差別也很大。擺在使用者面前的問題是，應(yīng)選用怎樣的壓力傳感才能滿足需要？ 哪些指標(biāo)是最重要的？ 應(yīng)考慮哪些問題？ 這就涉及到傳感器的選用。選用的原則便是以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)格買到滿足其用途、壓力量程、精度要求、溫度范圍、電和機(jī)械要求的壓力傳感器。

傳感器裝到設(shè)備上后，運(yùn)行正常、穩(wěn)定，測量準(zhǔn)確。以下是選用壓力傳感器時(shí)必須考慮的幾個(gè)重要方面。

1.1  用 途

由于結(jié)構(gòu)不同，壓力傳感器可以分為測定絕對壓力、對大氣的相對壓力和差壓。測定絕對壓力時(shí)，傳感器內(nèi)自身帶有真空參考壓，所測壓力與大氣壓力無關(guān)，是相對于真空的壓力。對大氣的相對壓力是以大氣壓力為參考壓，因此傳感器彈性膜一側(cè)始終與大氣是連通的。由于大氣壓力與離地面的高度、四季中大氣中水汽含量的變化以及不同地點(diǎn)和組成大氣的各種氣體的含量的變化有關(guān)。因此，所測得的相對壓力便與上述因素有關(guān)。此外，還可從傳感器彈性膜兩側(cè)分別導(dǎo)人流體壓力，這樣能測定流體不同地點(diǎn)或流體間的差壓。針對不同用途應(yīng)選用不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。

1.2  壓力量程范圍

壓力傳感器的壓力適用范圍是分級的。這是因?yàn)閴毫鞲衅鞯膹椥阅こ惺芰黧w壓力有一個(gè)限度。這就是通常所說的耐壓極限，超過此極限彈性膜便破裂了。一般來說，每一傳感器都有20 - 300 %的過壓能力。因此，產(chǎn)品說明書上的壓力最大量程為耐壓極限的30 - 80 %. 選用過高的壓力量程是不必要的。

壓力量程的選用應(yīng)主要考慮三個(gè)方面的因素：

即傳感器的最大過壓能力、精度與壓力量程的關(guān)系和傳感器的價(jià)格與壓力量程的關(guān)系。

對于傳感器的最大過壓能力，傳感器承受靜壓力與動壓力情況下是有很大區(qū)別的。后者往往會出現(xiàn)沖擊壓力，甚至沖擊波。沖擊壓力遠(yuǎn)高于靜壓力。如果選用的最大工作壓力量程是指靜壓力的話，傳感器在承受動壓力時(shí)，應(yīng)選用較大的過壓能力。否則沖擊壓力很容易達(dá)到極限耐壓，使壓力傳感器受到破壞。

對于精度與壓力量程的關(guān)系。壓力傳感器的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移系數(shù)及非線性誤差是影響傳感器精度的重要指標(biāo)。對同一壓力傳感器來說，熱零點(diǎn)漂移系數(shù)隨工作壓力增加而減小，而熱靈敏度系數(shù)和非線性誤差隨工作壓力增加而增加。因此，工作壓力增加有利于減小熱零點(diǎn)漂移，而不利于熱靈敏度漂移和非線性誤差。熱零點(diǎn)漂移比較大時(shí)，提高工作壓力量程有利于提高壓力傳感器的精度。熱零點(diǎn)漂移比較小時(shí)，減小工作壓力量程有利于提高精度。對不同壓力量程的傳感器來說，靈敏度是不同的。低壓力量程傳感器的靈敏度高分辨率自然也高。

對于傳感器的價(jià)格與壓力量程的關(guān)系，一般來說，013 - 1MPa 的壓力傳感器的價(jià)格較便宜，011MPa以下或1MPa 以上的壓力傳感器價(jià)格比較貴。測定2- 3kPa 壓力時(shí)可選購10 - 50kPa 的壓力傳感器。特別是使用者自己設(shè)計(jì)和選用補(bǔ)償電路時(shí)，能使精度進(jìn)一步提高。這樣可以使成本大幅度降低。一般而言，質(zhì)量好的壓力傳感器，滿量程輸出都可以達(dá)到100mV/ 10V. 如果只用一半的壓力量程，則對應(yīng)的輸出便只有50mV/ 10V. 因此最大工作量程應(yīng)盡可能接近產(chǎn)品說明書上所標(biāo)明的該壓力傳感器的量程級。

1.3  精 度

壓力傳感器可用作壓力計(jì)量元件或作敏感元件進(jìn)而進(jìn)行自動控制。特別對前一用途，對它提出比較高的精度要求。由于用半導(dǎo)體芯片制成的壓力傳感器的精度受溫度的影響，因此應(yīng)注意傳感器的使用溫度范圍。

靜態(tài)精度是指某一特定溫度（室溫25 ℃） 下應(yīng)達(dá)到的精度?？梢苑譃樗臋n：0101 - 011 %FS 為超高精度：011 - 1 %FS 為高精度：1 - 2 %FS 為普通精度；2 - 10 %FS 為低精度。

全溫度范圍精度是指壓力傳感器在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)都應(yīng)達(dá)到的精度。同樣可以分為四檔：

0101 - 011 %FS;011 - 1 %FS;1 - 2 %FS;2 - 10 %FS. 靜態(tài)精度達(dá)到011 - 1 %FS ,也許全溫度范圍精度只夠1 - 2 %FS ,甚至只夠2 - 10 %FS.

對使用者來說，往往希望壓力傳感器的精度越高越好。但是壓力傳感器達(dá)到高精度時(shí)，必然在制作過程中增添了許多附加工藝以及?；催^程和補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)成本提高了，當(dāng)然其售價(jià)也隨之大幅度增加。因此應(yīng)根據(jù)壓力傳感器實(shí)際應(yīng)用場合和要求，提出合理的精度要求及相應(yīng)的溫度范圍。

1.4  電學(xué)要求

一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號，近距離滿量程輸出電壓可達(dá)100 - 150mV ,輸出電流為0- 0101mA. 遠(yuǎn)距離輸出信號電壓便會衰減，應(yīng)采用電流信號輸出。經(jīng)壓力變送器將電流放大后可以輸出20mA 以下的電流信號。這樣，價(jià)格就成倍增加。

另外，只有經(jīng)過A/ D 和V/ F 變換后才能得到數(shù)字信號和頻率信號。

恒流源和恒壓源都是通常傳感器采用的兩種激勵(lì)源。兩種激勵(lì)方法是有區(qū)別的，其作用不同。

恒流源激勵(lì)有利于熱靈敏度漂移的補(bǔ)償作用。

因?yàn)闃虮垭娮杵鞯臏囟认禂?shù)為正，而靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)。恒流源激勵(lì)時(shí)的輸出信號電壓的溫度系數(shù)是兩者的代數(shù)和。而恒壓激勵(lì)不能直接提供靈敏度溫度補(bǔ)償效果。但用恒壓源激勵(lì)時(shí)可在橋外串接熱敏電阻或二極管以補(bǔ)償熱靈敏度漂移。用恒流源激勵(lì)時(shí)，這種靈敏度補(bǔ)償方法便不起作用?？梢?，恒壓源激勵(lì)和恒流源激勵(lì)相互之間不能隨意互換。

一般精度測量時(shí)用恒流源激勵(lì)。恒壓源激勵(lì)時(shí)，測量的精度取決于恒壓源穩(wěn)壓器件的精度。

另外，又可將壓力傳感器的激勵(lì)電源分為正比激勵(lì)和固定激勵(lì)。前者是將壓力傳器電橋直接接到電源上，當(dāng)電源改變時(shí)，壓力傳感器的靈敏度和零點(diǎn)都隨之發(fā)生變化。后者內(nèi)部有一個(gè)參照電壓，壓力傳感器電橋由參照電壓供電激勵(lì)。參考電壓是恒定的，與電源電壓無關(guān)。只要電源電壓在一指定電壓范圍內(nèi)變化，參照電壓不變。因而傳感器的輸出不變，不受電源電壓的影響。

壓力傳感器可以用電池供電，但更普遍的是采用直流穩(wěn)壓電源技術(shù)。電池供電時(shí)噪聲小，但隨電池使用，供電電壓逐漸降低，特別是當(dāng)傳感器用正比激勵(lì)時(shí)，靈敏度便逐漸減小。這就會造成讀數(shù)不準(zhǔn)。因此要采用補(bǔ)償辦法（例如壓力傳感器和A/ D 變換器共用一個(gè)電池供電） ,或者使用低功耗、小電流的壓力傳感器，長壽命電池，或者測量壓力時(shí)接上電源，測量完畢后，將電池關(guān)閉節(jié)省電能。換上新電池后，壓力傳感器需要重新校準(zhǔn)標(biāo)定。這是因?yàn)椴煌铺柕碾姵仄潆妱觿?、?nèi)阻都存在一定的差異。壓力傳感器的電橋激勵(lì)電壓的變化會造成靈敏度的改變。

1.5  作業(yè)方式

作業(yè)方式也是需要考慮的重要問題。例如傳感器用于氣體壓力的測量與液體壓力的測量時(shí)情況便不同。氣體是可壓縮流體，增奪時(shí)會貯存一定的壓縮能，減壓時(shí)又以動能釋放出來，給傳感器彈性膜施加沖擊波。要求壓力傳感器有較大的過載能力。液體是不可壓縮流體，在壓力傳感器安裝時(shí)，擰緊螺拴又無可壓縮空間則可使液體壓力升高超過彈性膜的耐壓極限，導(dǎo)致彈性膜破裂。由于這種情況屢屢發(fā)生，也要求壓力傳感器有較大的過壓能力。

壓力傳感器的工作環(huán)境惡劣時(shí)，例如有大的振動、沖擊，大的電磁干擾，對傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不僅過壓能力強(qiáng)，而且要求機(jī)械密封可靠，防松動，傳感器安裝正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。

此外，應(yīng)考慮壓力傳感器與所測流體介質(zhì)的相容性問題。例如傳感器的彈性膜結(jié)構(gòu)應(yīng)與腐蝕性介質(zhì)相隔開，此時(shí)采有不銹鋼波紋套傳感器，傳感器內(nèi)用硅油作傳壓介質(zhì)。傳感器檢測易燃、易爆介質(zhì)壓力時(shí)，使用小激勵(lì)電流，防止彈性膜破裂時(shí)產(chǎn)生火花、火星，并增加壓力傳感器外套的耐壓能力。

1.6  對溫度的要求

用半導(dǎo)體芯片制備的壓力傳感器的特點(diǎn)是受溫度的影響大，不僅存在熱零點(diǎn)漂移還存在熱靈敏度漂移。溫度明顯影響壓力傳感器的精度。為了消除溫度的影響，就需應(yīng)用各種溫度補(bǔ)償技術(shù)。溫度范圍越寬，補(bǔ)償技術(shù)難度越大，且校準(zhǔn)工作量越大，所能保證的全溫度范圍的精度便越低。為此應(yīng)根據(jù)壓力傳感器所應(yīng)用的實(shí)際溫度范圍和精度要求提出合理的要求。

一般將壓力傳感器的使用溫度范圍分為四類：

普通商業(yè)級，范圍為- 10 - 60 ℃；工業(yè)級，范圍為-25 - 80 ℃；軍事級，范圍為- 55 - 125 ℃；特殊級，范圍為- 60 - 350 ℃。

壓力傳感器在室內(nèi)應(yīng)用時(shí)，可選擇商業(yè)級；有室外應(yīng)用時(shí)可選擇工業(yè)級。也可以采取措施使傳感器與環(huán)境熱隔離或進(jìn)行加熱或冷卻，選擇普通商業(yè)級用在- 10 ℃以下或60 ℃以上的環(huán)境中。選擇什么溫度范圍還應(yīng)考慮傳感器的電子學(xué)溫度特性和機(jī)械溫度特性。

1.7  對壓力密封的要求

通常用的壓力密封是橡膠墊（或稱O 型環(huán)） 、環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯墊、錐孔配合、管螺紋配合及焊接等方式。所用的密封材料決定了壓力傳感器的工作溫度范圍。

2  應(yīng) 用

廣義的講，凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的種類繁多的傳感器，都可稱為壓力傳感器。它們在工業(yè)、軍事和民用等各方面得到一定的應(yīng)用。

壓電式壓力傳感器可用來測量壓力范圍為104 - 106Pa 、頻率為Hz 至幾十Hz （甚至上百千Hz） 的動態(tài)壓力，在內(nèi)燃機(jī)的氣缸、油管、進(jìn)排氣管的壓力測量、槍炮的膛壓、生物醫(yī)學(xué)及航空航天等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用。

它們的彈性元件是由膜片、膜盒等把壓力收集起來，轉(zhuǎn)換成集中力，再傳遞給壓電元件。為了保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶片并聯(lián)組合方式。

壓力傳感器在應(yīng)用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1） 確保彈性膜片與后傳力件有良好的面接觸，用以實(shí)現(xiàn)減小滯后與線性誤差，提高靜、動態(tài)特性； （2） 傳感器的基體和殼體要有足夠剛度，保證被測壓力能夠盡可能地傳遞到壓電元件上： （3） 壓電彈性元件的選擇要考慮到頻率覆蓋：彎曲（014 - 100kHz） ,壓縮（40kHz- 15MHz） ,剪切（100kHz - 125MHz） ; （4） 涉及傳力的元件要采用高聲速材料和扇薄結(jié)構(gòu)，以利于快速、無損失的傳遞彈性元件的彈性波，提高動態(tài)特性： （5）要考慮加速度、溫度等環(huán)境干擾的補(bǔ)償。

3  結(jié) 論

近幾年來，我國壓力傳感器技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也在迅速擴(kuò)大。由于壓力傳感技術(shù)所涉及的技術(shù)廣泛，幾乎滲透到各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，因此，對壓力傳感器新理論的探討、新技術(shù)與新方法的應(yīng)用、新材料和新工藝的研究將成為發(fā)展趨勢。