自动化技术的进步促进了工业设备的更新换代。工业设备中除了液柱压力表和弹性压力表外,更多的是使用压力变送器和传感器,将压力转换成电信号。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转化为电信号的呢?
基于压电效应,利用电器元件等机械将待测压力转换成电能,进而进行相关的测量工作。压电传感器只能用于动态测量。主要压电材料有:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和应时。随着技术的发展,压电效应也被应用到多晶硅上。例如压电陶瓷、铌酸镁压电陶瓷、铌酸盐压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷都包括在内。
了解几种常见压力传感器的测量原理。
基于压电效应的传感器有机电转换传感器和自发电传感器。其敏感元件由压电材料制成。当压电材料受到外力作用时,表面会形成电荷,经过电荷放大器、测量电路、阻抗变换放大后,转换成与外力成正比的电输出。用于测量力和可以转化为力的非电物理量,如加速度、压力等。
优点是:重量轻,工作可靠,结构简单,信噪比高,灵敏度高,信号带宽大。
缺点是:有些电压材料避潮,需要采取一系列防潮措施;而且输出电流响应差,所以要用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。
压阻效应用于描述材料在机械应力下的电阻变化。与压电效应不同,压阻效应只产生阻抗变化,不产生电荷。大多数金属材料和半导体材料都具有压阻效应。由于硅是集成电路的主要材料,硅压阻元件的应用变得非常有意义。电阻的变化不仅来自于与应力有关的几何变形,还来自于材料本身与应力有关的电阻,这使得它的度因子比金属大几百倍。
了解几种常见压力传感器的测量原理。
压阻压力传感器通常通过导线连接到惠斯通电桥。通常情况下,敏感芯上没有外界压力,电桥处于平衡状态(称为零位)。当按下传感器后芯片电阻发生变化时,电桥将失去平衡。如果在电桥上加一个恒流或恒压电源,电桥会输出一个与压力对应的电压信号,使传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号。电桥检测电阻值的变化,经放大后,通过电压-电流转换,转换成相应的电流信号。这个电流信号通过非线性校正回路进行补偿,即产生一个与输入电压成线性对应关系的4 ~ 20 mA标准输出信号。
为了减小温度变化对磁芯电阻值的影响,提高测量精度,压力传感器都采用了温度补偿措施,使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持在较高水平。
利用电容作为敏感元件,将测得的压力转换成电容变化的压力传感器。这种压力传感器通常使用圆形金属膜或金属镀膜作为电容器的电极。当薄膜受到压力变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容发生变化,通过测量电路可以输出与电压有一定关系的电信号。电容式压力传感器属于变极距电容式传感器,分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。