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压力传感器工作原理及分类

  • 文章来源:北京力诺
  • 发布时间:2018-12-07 15:09
  • 阅读人数:
  • 文章作者:力诺传感器科技

压力传感器是一种检测压力并将其转换为模拟电信号的装置,其大小取决于所施加的压力。由于它们将压力转换为电信号,因此它们也被称为压力传感器。

压力传感器

压力传感器的应用领域


长期以来,压力传感器已广泛应用于汽车,制造,航空,生物医学测量,空调,液压测量等领域。压力传感器使用不可避免的一些突出领域是:
 
1.触摸屏设备:具有触摸屏显示器的计算机设备和智能手机配有压力传感器。每当通过手指或触控笔在触摸屏上施加轻微压力时,传感器就确定其被施加的位置并因此产生通知处理器的电信号。通常,这些传感器位于屏幕的角落。因此,当施加压力时,通常两个或更多个这样的传感器用于给出位置的精确位置信息。
 
2.汽车工业:在汽车工业中,压力传感器是发动机及其安全性的组成部分。在发动机中,这些传感器监控油和冷却液压力,并调节发动机应提供的功率,以便在加速器受压或制动器应用于汽车时达到合适的速度。出于安全考虑,压力传感器是防抱死制动系统(ABS)的重要组成部分。该系统适应道路地形,并确保在高速制动的情况下,轮胎不会锁定并且车辆不会打滑。ABS中的压力传感器根据道路状况以及车辆移动的速度详细说明处理器。气囊系统还使用压力传感器,以便当车辆经受高压力时,袋子被激活以确保乘客的安全。
 
3.生物医学仪器: 在数字血压监测仪和呼吸机等仪器中,需要压力传感器根据患者的健康状况和要求对其进行优化。
 
4.工业用途:压力传感器用于监测工业装置中的气体及其分压,以便在精确控制的环境条件下进行大的化学反应。在石油工业中,传感器详细描述了石油钻井平台在探索时所达到的深度。
 
5.航空:在飞机中,需要这些传感器来维持大气压力与飞机控制系统之间的平衡。这不仅可以保护飞机的电路和各种内部组件,还可以向系统提供有关外部环境的精确数据。此外,需要在驾驶舱内保持特定水平的气压,并且乘客游说提供标称地面呼吸条件。
 
6.海洋工业:对于船舶和潜艇,需要压力传感器来估计它们的操作深度和详细说明海洋条件,以便电子系统保持安全。水下工程的氧气需求也由压力传感器调节。
单硅晶压力传感器

压力测量的类型


压力测量可以相对于参考值或绝对比例。
 
1. 绝对压力测量:相对于完全真空测量的 压力被称为绝对的压力。完全真空是大气中不存在物质的条件,因此在该区域中存在零空气压力。绝对压力传感器的使用受到限制,因为不可能达到完美的真空状态。因此,基于绝对压力测量的传感器需要严格的精确输出规格。基于这种类型的测量的传感器用于气压或高度相关的压力测量。
 
2.差压测量:在差压测量中,比较两个不同位置的压力。例如,通过在高层建筑的不同楼层测量压力差来计算压力差将给我们带来压差。当要测量大量压力时,应用差压测量,通常以磅/平方英寸差(psid)为单位。这些类型的测量用于进料压力监测目的,其中监测流体在介质中流动的压力,从而可以保持流动的均匀性。差压测量在监测各种类型净化系统中的过滤器方面具有重要应用。它们参考了过滤器清洁流体的常压。每当过滤器面临由于污染物引起的堵塞问题时,这些压力传感器就会提供相对于正常压力的读数。这有助于保持过滤器清洁和可操作。
 
3. 表压测量:它可以定义为差压测量的子类型,我们将任何点的压力与当前的大气压力进行比较。表压测量用于轮胎压力或血压测量等应用。表压测量没有一致性,因为大气压力随高度而变化,因此其应用仅限于非关键测量。
超小型压力传感器

压力传感器的类型


根据它们所使用的应用类型,压力传感器可以分为许多类型。但是,以下是最常用的压力传感器类型:
 
1.  应变式压力传感器:这些传感器在工作时类似于小麦石桥。在小麦石桥中,连接到电池一端的两个相邻臂的电阻比应该等于连接到电池另一端的另外两个臂的电阻比。当两个比率相等时,小麦石桥不会产生输出。在应变仪的情况下,小麦石桥的一个臂连接到隔膜。隔膜由于施加的压力而压缩和膨胀。隔膜的这种变化导致桥中的输出变化。将产生与正常平衡状态的每个偏差成比例的电压,因此隔膜的每次压缩或膨胀运动将产生指示压力条件变化的输出。
应变式压力传感器电路图
 2. 电容式压力传感器:电容器有两个金属板和夹在它们之间的电介质。在电容式压力传感器中,允许这些金属板中的一个移入和移出,使得它们之间的电容由于板之间的距离变化而改变。可移动板连接到隔膜,该隔膜感测压力然后相应地膨胀或压缩。隔膜的移动会影响连接的金属板的位置,电容会有所不同。这些传感器虽然在高温下效率很低,但由于它们的线性输出,因此在环境温度范围内被广泛使用。
电容式压力传感器内部图
3. 压电式压力传感器:压电式晶体在受到任何机械压力时会产生电位差(即在表面上产生电压)。这些传感器的晶体安装在电介质基座上,因此没有电流泄漏。连接到晶体的是水平轴,隔膜连接到水平轴。每当隔膜感应到压力时,它就会向下推动轴,从而使晶体加压并产生电压。
压电式压力传感器

压力传感器规格


由于压力传感器具有多种应用,因此它具有一定的规格,以使它们在给定环境中最佳地工作。一些主要配置列在:
 
1.测量范围:定义传感器设计运行时的最小和最大压力,不会受到损坏。这个标准对于差分和轨距传感器更为重要,因为它们的测量值是相对的,如果参考压力的幅度超出其范围,它们将无法工作。
 
2.工作温度:传感器最佳工作温度范围。始终需要使传感器在规定的温度范围内工作,以使输出一致。在环境条件极热或极冷的情况下,传感器可能无法正常工作。这特别适用于触摸屏计算机和其他设备中使用的电子压力传感器。
 
3.传感器的尺寸:根据应用,传感器的尺寸将根据需要检测压力的区域类型而变化。因此,传感器的尺寸是传感器设计时的重要考虑因素。通常,尺寸小的传感器是优选的,因为它们可以容易地安装在诸如空气过滤器的困难的地方。
 
4.测量类型:用户必须知道传感器进行了哪种类型的压力测量:绝对压力,表压或差压。这是因为不同的测量技术之后是不同的处理方法,因此输出将相应地变化。 
 
5.准确度:差压测量是使传感器尽可能准确的最佳方法。这是因为参考压力在用户的控制下比在表压测量中的大气更多。
 
6.重复性:这可以定义为当一次又一次地施加特定量的压力时传感器产生相同结果的能力。可重复性是传感器最重要的规格之一。由于传感器是特定范围的,因此它们在相同压力下校准的概率很高,因此传感器应在相同的压力时间内再次产生结果。
 
7.产生的输出类型:传感器产生的电输出可以是各种类型,具体取决于其设计和最终输出设备。一些已知的产生输出的格式是模拟电压; 模拟电流,数字信号(TTL),RS 232接口和基于频移键控的HART协议。
 
8.响应时间:这表示应用的输入和实现的输出之间所花费的时间。预计压力传感器的响应时间很短,因此可以产生即时输出,并且在快速压力变化的情况下,系统也可以快速响应。
 
9.偏移电压:偏移电压可以称为未施加输入时产生的输出电压。在差动传感器的情况下,当没有参考压力时产生偏移电压,并且在表压的情况下,当环境压力施加到传感器时产生偏移电压。需要偏移电压来减小输出中的误差,并且在从它们减去偏移电压之后计算最终输出。
卫生型压力传感器

压力传感器限制和挑战


1.压力传感器有一些限制,限制了它们在几个区域的使用。高温依赖性,滞后,无法推断出快速和动态的压力变化,对外部振动的敏感性,电子板组件的不可修复性,对电场,磁场和射频场的敏感性,与外部设备的不兼容性是一般压力传感器面临的几个挑战。在某些应用中,压力传感器的精度有限。例如,在触摸屏中,当进行多次触摸时传感器的灵敏度受到影响,而在航空领域,高压会限制传感器的工作。 
 
2.压力传感器基本上需要使设备以优化的方式响应其环境条件。它们的类型和用途很多,并且随着传感器技术的不断成熟将继续发展。大量使用压力传感器(例如触摸屏或汽车)会很快降低其效率,因此压力传感器的坚固性也是工业研究的一个日益重要的优先事项。尽管如此,压力传感器工具,以及与其他工具一起使用的这些工具,都应谨慎使用,并经常检查以确保质量结果。

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