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压力传感器的应用现状。

文章出处:人气:0发表时间:2019-2-22 15:10:32

导读:压力传感器的应用现状。压力传感器可根据输出信号及体内是否装入放大电路分为:压力传感器和压力变送器。根据其是否能测量腐蚀性介质及适应恶劣环境可分为:通用式和隔离式液体传感器

压力传感器[1]具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点, 可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外, 还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合, 又便于集成化, 所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。

目前国内外关于压力传感器的研究,主要有光纤压力传感器、电容式压力传感器,耐高温压力传感器、硅微机械加工传感器、具有自测试功能的压力传感器、多维力传感器五种类型。其中电容式真空压力传感器因自熔焊接圆环的特殊作用可以防止泄露任何污染介质等具有广泛的应用前景。

从已经获得的参考文献来看,国际上美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一,其中光纤压力传感器是一种研究成果较多的传感器, 但投入实际领域的并不是太多,六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热点, 现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上, 又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉, 阵列密度为2438tactels/ cm2, 力灵敏1g, 结构柔性很好, 能抓握和识别鸡蛋和钢球, 现已用于机器人分选物品[2]。无锡盛迈(SENMIC)传感技术有限公司成功研制出具有国际先进水平的HB2018一体化压阻式陶瓷压力传感器。

(2)常见压力传感器及其工作原理

a光纤压力传感器

这是一类研究成果较多的传感器,但投入实际领域的并不是太多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光强度相关的特性,由硅框和金铬薄膜组成的膜片结构中间夹了一个硅光纤挡板,在有压力的情况下,光线通过挡板的过程中会发生强度的改变,通过检测这个微小的改变量,我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学,用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时,在加工与健康保健方面,光纤传感器也在快速发展。

优点: 与传统的压力传感器相比体积小、重量轻, 具有电绝缘性、不受电磁干扰、可用于易燃易爆的环境中传输容量大:可实现多点分布式测量等优点, 测量范围广:可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等另外还可以构成光纤分布式压力传感器, 对桥梁、大坝等进行健康状况的实时监测。

b电容式真空压力传感器

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。 

单电容式压力传感器 :由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,从而改变电容器的容量,其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状,膜片为周边固定的张紧平面,膜片可用塑料镀金属层的方法制成(图1)。

适用范围:适于测量低压,并有较高过载能力。

也可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积,以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起,以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。

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差动电容式压力传感器:它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器(图2)。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。

优点:差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好,

缺点:加工较困难(特别是难以保证对称性),而且不能实现对被测气体或液体的隔离,因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

 c耐高温压力传感器[2]

工作原理:把压力直接作用在传感器的膜片上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻发生变化,和用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。

一个是用于测量的测量电容Cx,另一个是用于温度补偿的参考电容Co。图3给出了接触式结构的电容式压力传感器的工作原理图,当膜片(上电极)受到压力p 作用时发生变形,随着压力的增大膜片与衬底的距离逐渐缩小,在压力达到接触点压力(即膜片中心接触到绝缘层时的压力)之前,测量电容器的电容值由非接触电A 片B 片容决定,根据公式C = εA/d 可知,在这个过程

中电容的大小随着上下电极间的距离d 而变化。当压力p 继续增加时,达到接触点之后,测量电容值则由非接触电容和接触电容决定。在极坐标系下的非接触电容量的积分表达式为

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式中ε0为真空介电常数;εa为空气的相对介电常数;εi为绝缘层材料的相对介电常数;t为绝缘层的厚度;g 为初始间隙;w(r)为半径为r 的圆上的变形。计算时以圆形膜片的中心作为坐标原点。在一定的范围内接触区域随着压力线性地增大,从而使电容值产生线性的变化。通过选择适当膜片的尺寸、厚度和电极的间距等的器件参数,可以提高传感器的灵敏度和线性范围。

适用范围:广泛应用于各种工业自控环境,涉及石油管道、水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道送风、锅炉,熔炉等众多行业。。

d硅微机械加工传感器

在微机械加工技术逐渐完善的今天,硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机械传感器的体积越来越小,线度可以达到1~2mm ,可以放置在人体的重要器官中进行数据的采集。Hachol ,Andrzej ;dziuban ,Jan Bochenek 报导了一种可以用于测量眼球的眼压计,其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg 时,静态输出为40mV ,灵敏度系数比较高。   d具有自测试功能的压力传感器为了降低调试与运行成本,Dirk De Bruyker 等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器,它的自测试功能是根据热驱动原理进行的,该传感器尺寸为1. 2mm ×3mm ×0. 5mm ,适用于生物医学领域。 

e多维力传感器

六维力传感器[4]的研究和应用是多维力传感器研究的热点,现在国际上只有美、日等少数国家可以生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上,又开创性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉,阵列密度为2438tactels/ cm2 ,力灵敏1g ,结构柔性很好,能抓握和识别鸡蛋和钢球,现已用于机器人分选物品。

(3)结束语

从上面所介绍的几种传感器我们可以了解到各种传感器适用范围不同,电容式真空压力传感器比较适合我们棉花打顶自动测高。


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