一、压力传感器.docx

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1、一、压力传感器压力的定义：物理学将压力定义为“单位面积上的力”。从接近于绝对真空的极低压力变化到极快的爆炸压力峰值，我公司都有专门的技术为每一应用领域都提供精确和可靠的压力测量。应用-工业通用压力测量奇石缘静态、动态压力测量具有可靠、精确和应用灵活的特点。它为各种应用领域提供了压电和压阻式压力传感器及响应的测量系统。奇石缘压力测量仪器在机械工程、航空、化工、研究、交通工程、能源及医学领域的应用经受了长期的考验，应用领域相当广泛。交通工程奇石缘传感器和变送器测量0.23000bar的压力（环境温度为-40350），精度等级为0.052%FS。这些传感器即使在腐蚀性截止中也是高度稳定的。典型的应用

2、包括刹车系统、一般控制系统、闭环系统、安全栅、压缩机、变速控制系统和液压动力组件。特点/用途： 使用寿命长、 载荷循环高、 高动态载荷。航 天太空之旅中即使是最微小的误差也会给宇航员带来巨大的生命威胁。奇石缘在这个要求严格的领域中开拓了专门的压力传感器，并通过了大量的系统测试。一个典型应用是监控卫星燃油箱内的压力。特点/用途： 极高的灵敏度和可靠的传感器、 高达15年的使用寿命，结构坚固和高可靠性、 气密设计传感器确保设备免受恶劣环境影响、 抗辐射。石油和天然气在石油和天然气领域，奇石缘传感器和变送器一般用在海洋平台安装、深孔监测系统、钻井设备和高温高压的应用领域。特点/用途： 防爆传感器、

3、结构坚固、 耐高温、 精度高。过程工业对用于过程工业的传感器来说，最重要的是指标可靠性和耐腐蚀。陶瓷或耐腐蚀金属因而被选用。典型的应用领域非常广泛，包括计量泵、高压容器、生物反应器和压缩机等。特点/用途： 耐腐蚀性极高、 测量死区小、 防爆传感器。 应用-爆炸压力等高压测量奇石缘端面密封式高压传感器是世界公认的标准传感器，应用于安全气囊引爆器内爆炸物的开发和武器的试验与开发。特点/用途：由于对安装条件不敏感，测量重复性很高、全量程范围的线性都非常好、端面密封和优化的膜片设计使其具有很长的使用寿命、对不洁环境不敏感。1) 压电式压力传感器-压电测量技术压电式传感器奇石缘公司的压电测量技术源于军工

4、，并逐步发展与完善，产品应用领域包括爆炸物理研究、发动机测试、生产过程控制、材料试验、道路安全、靶场与靶机、模态分析等。这种传感器已历经了时间的考验，即使在最极端的条件下也能提供可靠的测试结果。现在，新一代独特的压电晶体正在越来越多地作为传感器的敏感元件，长期工作温度可达到400以上，瞬间（10个毫秒级）冲击温度可达4000K以上。应用领域：压电式测量设备今天已广泛地应用与试验室和生产过程。在各种需要精确测量和记录诸如压力、力和振动等力学量动态变化的场合中的应用随处可见并不断扩展，目前包括： 航空：模态分析，风洞和激波管仪器，着陆架液压系统，火箭技术，结构，发射系统以及切削力研究 弹道学：燃烧

5、，爆炸，爆破和声压分布 生物力学：矫形医学中步态及姿态，运动，人体工程学，神经学和康复学领域中的多分量力的测量 发动机试验：燃烧，换气和喷射，示功图和动态应力 工程：材料评估，控制系统，反应器，建筑结构，船舶结构，汽车底盘结构试验，冲击与振动隔离，动态响应试验 工业/工厂：机器系统，金属切削，压力和冲压力，自动压装过程和设备健康诊断 OEM应用：运输系统，注塑机，火箭，机床，压缩机，发动机，柔性结构，油田钻井以及冲击/振动试验仪。压电石英材料：各种优异的特性使得石英成为理想的测量元件：可承受很高的表面压力(150N/mm2)、耐高温至00、刚度很高、线性好、迟滞小、在很宽的温度范围内灵敏度恒定

6、、频响范围宽、可承受几乎无限的载荷循环数，绝缘阻抗非常高(1014)。石英材料可人工培育，并具有其他测量优点。例如，人工培育的石英材料可用于400的温度。可在不同角度切割，获得具有压力或剪切力敏感 ，即不同压电效应的晶片。由于石英晶体的高刚度，测量时相应的材料变形极小，一般在几微米之内，石英敏感元件的高固有频率特别适合于快速和动态过程的测量，它们不仅可以用于研发，也被广泛用于工业生产和试验过程。由于测量过程中几无形变，所以缓慢或准静态过程测量的误差很小。压电效应压电效应（piezoelectric effect）前缀“piezo”来自希腊语piezein，是“压”的意思。居里兄弟在1880年发

7、现包括石英在内的某些晶体表面受到机械应力时会变得带电荷。这些电荷与作用在晶体上的力精确地成正比。它是以微微库仑计量的（1pC= 库仑）。由于压电传感器是主动敏感元件，它们只能在准静态而不是完全静态测量中产生数据。但它们对极高速的信号拾取是非常理想的。压电晶体具有适合于测量动态压力的许多优点，包括优异的线性、固有频率高和即使在高温、高压下保持稳定的灵敏度。图1 石英棒根据晶体极轴相对于载荷方向不同，分三种不同的压电效应： 纵向效应、 剪切效应、 横向效应。纵向效应电荷输出产生在力接触表面，并可以在该区域测量。在纵向压电效应中，电荷量Q只取决于力Fx的大小，与晶体的尺寸无关。增加电荷的唯一方法是连

8、接几个晶体片，机械串联，信号电子并联。输出电荷量如下： 压电系数d11是不同方向上的晶体灵敏度。因此晶体切割的位置决定了石英拉压力传感器的性能和应用领域。产生纵向效应的压电敏感元件切割对压缩力敏感，因此适合于简单和坚固的力传感器。剪切效应类似于纵向效应，剪切效应中的压电灵感度和压电敏感元件的大小和形状无关。载荷作用下，在压电敏感元件的表面产生电荷。在x方向的载荷作用下，机械串联和信号电子并联的n个敏感元件产生的电荷量为：剪切敏感压电元件作用于测量剪切力、扭矩与应变的传感器。剪切效应具有对温度和剪切敏感轴垂直方向上应变不敏感的优异特性。 横向效应横向效应中，作用在y轴方向上的力Fy在相应x轴的表

9、面上产生电荷。与纵向压电效应不同，在非受载表面产生的电荷量与压电敏感元件的尺寸成正比。假设敏感元件的尺寸为a和b，产生的电荷量为： 因此，横向效应在合适的压电敏感元件形状和排列下，可以获得较多的电荷。横向效应的敏感元件用于高灵敏压力，应变和力传感器。 电荷和电压输出奇石缘提供电荷和电压输出的压电式传感器。前者需要电荷放大器(或外置阻抗转换器)，将电荷信号转变为电压信号。电压输出型传感器需要外置电源单元(耦合器)，提供传感器激励电源，并从偏置电压输出中调制出有效信号。传感器的动态响应测量压力、力和加速度的压电式传感器可被看成是有阻尼的单自由度弹簧质量系统。在谐振频率(fn)的1/5处的频率响应幅

10、值误差约为5%。低通滤波可以减弱这一效应。许多奇石缘信号调节仪(电荷放大器和信调仪)都具备滤波功能。2) 压阻式压力传感器-压阻测量技术 奇石缘压阻式传感器用于测量气体和液体以及纯静态的压力、力测量。即使在最恶劣的条件下也能获得精确、可重复的测量结果。压阻效应压阻效应广义是指某些半导体或金属受到机械外力作用时，其电阻值会发生改变。压阻式传感器利用了这一原理，当硅晶体或金属敏感元件受到机械应力时，嵌入硅片的电阻阻值发生了改变。这种变化与压力成正比，并可以用电桥来测量。集成电路技术使非常小的电阻电路和有源元件集成在硅片上。硅片还可以设计成如压力膜片一样。与传统的金属应变片技术相比，这项技术的主要优

11、点是高灵敏、紧凑和固有频率高。目前奇石缘的压阻式传感器是高度集成的，电阻嵌在硅片的正面，然后从反面刻蚀硅片。这意味着中央部分作为压力膜片，边缘部分作为安装面，然后硅片被阳极键合在一玻璃上。这里有一个参照孔用于相对压力测量。但是对于绝对压力测量，在键合过程中硅片和玻璃片之间被抽成真空。这种设计保证了温度稳定性和最小的滞后。其测量元件极为灵敏，非常适合小到中等压力的测量。刚度极高的设计则适用于高压力测量。陶瓷测量元件被用于低成本的传感器技术和较低测量精度的应用。压阻式传感器压阻原理以1954年首次发现的半导体效应为基础。在机械应力作用下，半导体的电阻值变化比金属大两个数量级。与当时使用的金属应变仪

12、方法相比，这个发现开拓了一个全新的应用领域。从那时起，其它相近的技术开始出现，如金属上的溅射薄膜技术、陶瓷上的厚膜技术等。测量元件压阻测量元件(如：溅射薄膜敏感元件、厚膜陶瓷敏感元件、单晶硅等)的弹性膜片在压力作用下产生曲变。金属或半导体电阻元件组成的惠斯通电桥被扩散在膜片中。由于电桥在压力作用下失去平衡，从而产生成比例的电压信号输出。 应变式充油芯体 厚膜陶瓷敏感元件静态和动态特点硅压阻测量元件具有很好的静态测量特点。硅是一种单晶体，能保持弹性直至断裂点，不能承受任何塑性变形。因此，硅元件是非常稳定的，其性能即使经过很长时间也不变化。它们的动态特性也很好。由于尺寸小，硅元件的固有频率很高。根

13、据压力范围不同(膜片厚度)，固有频率为15-200kHz。信号调理由压阻式传感器产生的实际测量信号是一个由惠斯顿电桥输出的电压值。低噪声电压放大器不仅对信号进行调理，同时还为压力传感器提供激励恒流和低电压。为了达到最大的综合精度，一个典型完整的测量系统包括一个压力传感器和与传感器相匹配的桥式放大器。为了补偿由于温度引起的测量误差，一些压阻式放大器带有所谓“数字补偿”。即传感器出厂前在各种温度和压力下进行测量，误差矩阵用多项式近似并存储在放大器中，从而可对被测量的压力进行连续和自动修正，进一步改善综合精度。硅压阻传感器的主要优点：交变应力下寿命长、优异的稳定性、测量重复性高、设计紧凑、抗冲击和振动、高输出电压、固有频率高、线性良好。