压力传感器原理

1.压力测量介绍
  绝对压力传感器
  差压力传感器
  表压力传感器
  2.压力位移的转换
  位移转换介绍
  电容式气囊
  氧化铝膜片
  半导体膜片
  单晶式压力传感器
  3.压力传感器的规格与性能比较
  规格
  特性
  
  压力之测量
  关于压力的量测，可以分成三类：
  (1) 绝对压力的测量
  (2) 表压力的测量
  (3) 差压力的测量
  绝对压力所指的就是对应于绝对真空所测量到的压力。
  表压力所指的就是对应于地区性大气压力所测量的压力。
  差压力就是指两个压力源间的压力差值。
  如果有一压力为绝对真空，则差压力就等于绝对压力；如果压力为地区性大气压力，则差压力就等于"表压力"。
  压力的测量单位为巴司卡(pascal)(简写pa)，它就相当于牛顿/米2。在工业应用上，还有其它不同的压力单位；如Bar，psi(磅/寸2)，大气压力，mmHg(水银柱的上升高度以mm表示)以及cmH2O(水柱的上升高度以cm表示)。
  
  对于液体及气体压力的测量，可以使用各种不同的压力传感器。所谓"传感器"意指它是一种能量转换装置，从一个系统中吸收能量，在将此能量已不同的形式(例如电气)传送到另一个系统。所以，亦有人称之为"转换器"如同压力的测量可以分成三类一般，压力转换器也可以此三类来区分：
  (a) 绝对压力传感器：此装置包含有参考真空，以做为环境的绝对压力的测量或受接压力源的测量。
  (b) 差压力传感器：最为两个管接压力源间之压力差值的测量。
  (c) 表压力传感器：它也是一种差压力转换器，但是，其压力源一个为地区性大气压力，另一个则为管接的压力源。
  
  压力位移之转换
  在压力传感器中，通常是使用膜片(或是波状薄膜)来将压力P(t)转换成机械的移动量X(t)。膜片(如图)
  
  是由一金属(或是橡皮)盘所组成，在将金属盘的边缘固定到坚固的支撑物上。圆形的波状都与膜片的外部边缘成同心圆。被压缩的液体接触到膜片的一端，使得膜面以比例于其内压力的弯曲变形。两个波状的金属膜片结合在一起，形成一个空气囊(如图)。
  
  假如空气囊内部的空腔包含有真空，即可用以测量绝对压力；很明显地，待测压力是加至此组件的两端。如果需用更大的弯曲变形，可以将更多的膜片组件串联使用。为了测量介于两个可变压力间之差值，必须将其中的一个压力加到空气囊的内部。其它用以转换压力成移动量的机械是风箱(bellow)与布尔弟 (Bourdon tube)。近年来，随着单晶式压力传感器的发展，可以同时完成转换功能及压力传感器功能装置已被引进，这些是：
  1. 电容式气囊
  2. 氧化铝膜片(用于压电转换器)
  3. 半导体膜片（压阻式）
  
  电容式气囊:包含两个用以支撑电容极片的陶瓷组件，并接合在一起以形成一空腔，而产生真空。
  
  氧化铝膜片(用于压电转换器)”在压电性材料中支撑四个桥式连接的电阻。
  
  半导体膜片:由硅单元所组成(半导体转换器)，在其上利用扩散方法以形成电阻。
  
  单晶式压力传感器
  如先前所述的，单晶式传感器就是那些集压力感测与转换作用于单一组件上的压力传感器。压力－移动量－电压之间的转换是以下列方法中之一种来完成：
  (a) 电容式压力传感器：待测压力使得陶瓷膜片弯曲情形，如此就能改变组件的电容量，借着加入必须的电子电路，尽可能将此变形与压力之变化互成关系。因此电容量的变化即比例于压力的变化。(b)压阻式或"厚膜"压力传感器：这种转换器的动作原理乃应用压阻效应，此当材料受到变形时，它的电阻会随着改变。使用厚膜技术将四个电阻连接成惠斯登电桥的型式，安置于氧化铝(Al2O3)膜片上。当待测压力促使膜片变形时，电桥的差电压输出是随着改变。
  
  (c) 半导体压力传感器：此种装置也是应用压电效应与电桥电阻形式获得量测结果，在硅支撑物上利用扩散的方法，用以产生膜片，包含电桥电阻的单元以静电处理固定在支撑玻璃上。所以，它就与外界形成机械性的隔离。当硅质膜片偏向时，电桥的输出就随着改变。(d) 压电式压力传感器：这种转换器的动作原理乃应用压电效应，此指当许料受到压迫(力或压力)时会产生电压的性质。这些性质被用来做高频时的压力测量以及声音位准的测量(在此种应用上，最有名的为"晶体式麦克风")。
  
  压力传感器之规格与性能比较
  ★ 由于有各种不同型态的压力(绝对压力、差压力、表压力)，需要利用传感器来做测量。所以了解那些会影响到传感器使用的其它外围特性是很重要的一件事。因此，对于明了接触到传感器的待测物是为液体或气体，就显得很重要。做为流体测量所使用的传感器，当待测流体有可能损坏传感器时，其应用就不同于那些普通的传感器。亦即，在能够维持测量规格精确度要求下传感器可以量测的压力范围。测量范围可以是单极性(压力或真空)或
  双极性。
  ★ "过压力"(over pressure)或"试验压力"(proof pre-ssure)( 传感器可以接受而不招致损坏的最大压力)在传感器的选择中相当的重要。对于操作温度范围的了解也很重要。待测的液体或气体物质的温度，绝不能超过传感器的操作温度范围。
  
  其它与温度有关的外围因子为温度误差。亦即，在测量规格的某一给定的精确度之内，温度所能变动的范围。另外一个因子为储
  存温度。最重要的特性为：线性度、灵敏度、稳定度、重复能力与迟滞性。
  线性度：转换器指示值与最佳直线间的偏移量。此参数通常是以额满值得百分数来表示。
  灵敏度：(或分辨率)，可产生一输出信号值的最小输入变动值。以每单位输入的输出信号大小来表示(mv/PSI)。
  稳定度：当待转换量(在固定的温度下)在输入端维持固定值时，传感器所能维持输出信号的能力。在某一给定范围内的稳定度，通常是以额满值得百分数来表示。
  
  重复能力：在不同的时间内，相同的待转换量出现在输入端时，传感器重新产生输出信号的能力。重复能力通常是以额满值得百分数来表示。
  迟滞性：相同的压力，分别以相反的方向加到传感器，传感器所指示之两个读值间的最大差值。
  对于界面系统而言，较重要的因素有激励电压、F.S.O.、以及单位压力的灵敏度。
  激励电压：用以传送功率给传感器的电源电压。
  ★ F.S.O.：(满刻度输出)在相关的压力范围之限制下，介于传感器输出电压间的差值。
  单位压力的灵敏度：当压力改变一个单位值时，输出电压的相对变化值。
  ★ 对于某些传感器相关于满刻度压力的输出电压是以供给电压的函数来定，此值以mv/v来表示。当满刻度压力加到传感器且激励电压为一个单位值(伏特)时，传感器所指示的输出值(mv)。
  
  传感器的特性
  1.测量的型态:
  (1)绝对压力
  (2)差压力
  (3)表压力
  2.使用于:
  (1)气体
  (2)液体
  3.测量的范围
  4.试验压力
  5.操作温度
  6.振动
  8.线性度
  9.灵敏度
  10.稳定度
  11.重复能力
  12.迟滞性
  13.激励电压
  14.F.S.O(满刻度输出)
  15.单位压力的灵敏度
  
  表格显示了压力传感器的主要特性。注意，对于相同型式的传感器操作范围可以有所改变：很明显的会影响到它们的价格。单晶式压力传感器可以测量到以数百计的大气压力范围，然而其它型式的压力传感器可以测量到以数千计的大气压力范围。
  
   压力传感器的主要特性表：种类精确度价格结构优点缺点应用场合线性可变差动变压器一般一般复杂 -高精度产品价格高精度要求不高的场合电位计式一般低简单价格低精度，可靠性低 应变计式优越高简单高精准度相当贵 核子与海洋学 单晶电容式理论上优越相当高复杂优越稳定度及温度依赖性 两极棒距离有限 工业 单晶电阻式良好相当高简单温度稳定性 :优越线性度 -工业 单晶半导体式良好低热补偿时叫复杂尺寸小对温度个高灵敏度 工业 压电式优越高电荷放大器高精准度 相当贵 声音测量