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压力传感器
阅读:23618时间:2010-09-07 14:47:10

  压力传感器将压力转换为电信号输出的传感器,通常把压力测量仪表中的电测式仪表。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件(或应变计)组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变,然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、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、管道等众多行业。

原理

  压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也称为压电传感器。

  我们知道,晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器

  压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英(二氧化硅)是一种天然晶体,压电效应就是在这种晶体中发现的,在一定的温度范围之内,压电性质一直存在,但温度超过这个范围之后,压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低),所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数,但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体,能够承受高温和相当高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。

  在现在压电效应也应用在多晶体上,比如现在的压电陶瓷,包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

  压电效应是压电传感器的主要工作原理,压电传感器不能用于静态测量,因为经过外力作用后的电荷,只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的,所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

  压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用,特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。

  压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中,比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广。

  除了压电传感器之外,还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器,利用应变效应的应变式传感器等,这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料,在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

作用

  压力传感器的作用:把压力信号传到电子设备,进而在计算机显示压力。其原理大致是:将水压这种压力的力学信号转变成电流或电压信号。压力和电压或电流 大小成线性关系,一般是正比关系。所以,变送器输出的电压或电流随压力增大而增大。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器和微差压变送器,负压变送器三种压力变送器.

  压力变送器在测试的时候也有很多的因素影响,首先是被测介质的两种压力通入高、低两压力室,低压室压力采用大气压或真空,作用在δ元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上,通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。 当两侧压力不一致时,致使测量膜片产生位移,其位移量和压力差成正比,故两侧电容量就不等,通过振荡和解调环节,转换成与压力成正比的信号。

参数

  主要技术参数
  额定载荷(Kg) 100、150、200、250、300、500、1000、2000、5000
  精度等级 C2
  绝缘电阻(MΩ) ≥5000(100VDC)
  综合误差([%]F.S) 0.03
  激励电压(V) 9~12 (DC)
  灵敏度(mV/V) 2.0±0.02
  温度补偿范围(℃) -10 ~ +40
  非线性([%]F.S) 0.03
  使用温度范围(℃) -35 ~ +65
  滞后([%]F.S) 0.03
  零点温度影响([%]F.S/10℃) 0.03
  重复性([%]F.S) 0.01
  灵敏度温度影响([%]F.S/10℃) 0.03
  蠕变([%]F.S/30min) 0.02
  安全过载范围([%]F.S) 150
  零点输出([%]F.S) ±1
  极限过载范围([%]F.S) 200
  输入阻抗(Ω) 700±7
  防护等级 IP65
  输出阻抗(Ω) 700±7 电缆线 四芯屏蔽电缆 3m
  接线方法 输入(电源) + : 红色;输入(电源) - : 黑色;输出(信号) + : 绿色;输出(信号) - :白色

基本要点

一、正确安装

通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的,如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中,就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏,选择合适的工具加工安装孔,有利于控制安装孔的尺寸,另外,合适的安装扭矩有利于形成良好的密封,但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱,为防止这种现象发生,通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。

二、检查安装孔的尺寸

如果安装孔的尺寸不合适,高温熔体压力传感器在安装过程中,其螺纹部分就很容易受到磨损,这不仅会影响设备的密封性能,而且使传感器不能充分发挥作用,甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B),通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测,以做出适当的调整。

性能参数

压力传感器的种类繁多,其性能也有较大的差异,如何选择较为适用的传感器,做到经济、合理。   

1. 额定压力范围   

额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间,传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。   

2. 最大压力范围   

最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力,且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器,为提高线性和温度特性,一般都大幅度减小额定压力范围。因此,即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的23倍。   

3. 损坏压力   

损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。   

4. 线性度   

线性度是指在工作压力范围内,传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。   

5.压力迟滞   

为在室温下及工作压力范围内,从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时,传感器输出之差。   

6.温度范围   

压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿,精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。

选用和使用

  从十九世纪八十年代开始,高温熔体压力传感器作为一种昂贵的高端测量仪器在国内才开始被大家认识,在北美与欧洲当时的产品已经十分成熟,非常有代表性的几家公司也开始被国内的所熟悉:美国的丹尼斯科(Dynisco);意大利的杰弗伦(GEFRAN);日本的理化株式会社(RKC),日本的长野计器(NKS),随着国内的工业自动化的不断提升和发展,国内的需求量也不断增加,在近几年,国内也诞生了一批熔体压力传感器的制造商,因为有着性价比的优势国内的制造商也占有了一定的市场;其中最有代表性的为——上海皓鹰测控技术有限公司,一个引导本行业正确发展方向的国内优秀制造商:
  一、 选用常识:
  1、 品牌误区:很多时候大家都认为国产的产品是不好用,甚至是不能用;这一点皓鹰的成功研发和对产品品质严格控制让这种品牌误区在慢慢淡化,皓鹰将成为国内的一线品牌,这一点也得到了国际同行公司的认可。
  2、 精度误区:大家在选择产品的时候,总以为精度是最重要的;其实从某个角度来说:稳定性比产品的精度更重要,精度选择应该是建立在高稳定性的基础上的。
  3、 追求廉价:物美价廉这是每个人希望看到的;但事实上,高品质的产品就决定了它的价格会相对的高一些。 4、 选择合适的量程、合适的精度、合适安装方式、合适的输出方式。
  二、 使用常识:
  1、检查安装孔的尺寸、保持安装孔的清洁
  2、正确安装、选择恰当的位置
  3、仔细清洁、保持干燥
  4、避免高低温干扰、高低频干扰、静电干扰
  5、防止压力过载

传感器应变特点

压力传感器的测量范围比电感式传感器大一倍,它不仅能检测金属目标,而且还能检测电介质,如纸、玻璃、木材和塑料等,甚至可以通过墙壁或纸壳进行检测。由于人体在低频下相当于电导体,因此也出现了用于人的颤抖测量和防盗报警。   在测量构件应变时,直接将应变片黏贴在构件上即可,但若要测量力、压力、加速度等信号,应先将这些物理量转变成应变,然后用应变片测量,比直接测量时多了一个转换过程,完成这种转换过程的原件通常称为弹性原件,因此,应变式传感器通常由弹性敏感原件和应变计两部分构成。   弹性敏感原件是传感器的核心部件,要求弹性原件弹性储能高,通常表示为弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器具有良好的机械加工和热处理性能,具有较强的抗压强度。受温度影响小等特性,正确选择弹性敏感原件及应变计桥路是提高应变式传感器的重要途径:

1、测量范围光精度高

测力传感器可测0.01--1000000N的力,精度可达到0.05%FS以上;压力传感器可测0.1-1000000的压力,精度可达到0.1%FS

2、性能可靠,寿命长

如称重式机械杠杆称,由于杠杆、刀口等部分互相摩擦产生损耗和变形,欲长期保持其精度是相当困难的,采用电阻应变式称重传感器制成的电子泵、汽车衡、轨道衡等,能在恶劣的环境条件下长期稳定工作。

3、频率响应特性极好

压力传感器一般电阻应变计响应时间为0.01MS,半导体应变计可达到0.001MS如能在弹性原件上采取措施则由他们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。

应变特点

压力传感器的测量范围比电感式传感器大一倍,它不仅能检测金属目标,而且还能检测电介质,如纸、玻璃、木材和塑料等,甚至可以通过墙壁或纸壳进行检测。由于人体在低频下相当于电导体,因此也出现了用于人的颤抖测量和防盗报警。   

在测量构件应变时,直接将应变片黏贴在构件上即可,但若要测量力、压力、加速度等信号,应先将这些物理量转变成应变,然后用应变片测量,比直接测量时多了一个转换过程,完成这种转换过程的原件通常称为弹性原件,因此,应变式传感器通常由弹性敏感原件和应变计两部分构成。   

弹性敏感原件是传感器的核心部件,要求弹性原件弹性储能高,通常表示为弹性材料储存变形功而不发生永久变形的能力。压力传感器具有良好的机械加工和热处理性能,具有较强的抗压强度。受温度影响小等特性,正确选择弹性敏感原件及应变计桥路是提高应变式传感器的重要途径:   

1、测量范围光精度高,测力传感器可测0.01--1000000N的力,精度可达到0.05%FS以上;压力传感器可测0.1-1000000的压力,精度可达到0.1%FS   

2、性能稳定可靠,使用寿命长,如称重式机械杠杆称,由于杠杆、刀口等部分互相摩擦产生损耗和变形,欲长期保持其精度是相当困难的,采用电阻应变式称重传感器制成的电子泵、汽车衡、轨道衡等,能在恶劣的环境条件下长期稳定工作。   

3、频率响应特性极好。压力传感器一般电阻应变计响应时间为0.01MS,半导体应变计可达到0.001MS如能在弹性原件上采取措施则由他们构成的应变式传感器可测几十千赫甚至上百千赫的动态过程。

常见故障

压力传感器容易出现的故障主要有以下几种:   

第一种是压力上去,变送器输也上不去。此种情况,先应检查压力接口是否漏气或者被堵住,如果确认不是,检查接线方式和检查电源,如电源正常则进行简单加压看输出是否变化,或者察看传感器零位是否有输出,若无变化则传感器已损坏,可能是仪表损坏或者整个系统的其他环节的问题;   

第二种是加压变送器输出不变化,再加压变送器输出突然变化,泄压变送器零位回不去,很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因,传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器,加压时压力介质进不去,但在压力大时突然冲开密封圈,压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下,直接察看零位是否正常,若零位正常可更换密封圈再试;   

第三种是变送器输出信号不稳。这种故障有可能是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力,很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障;第四种是变送器与指针式压力表对照偏差大。出现偏差是正常的现象,确认正常的偏差范围即可;   

最后一种易出现的故障是微差压变送器安装位置对零位输出的影响。微差压变送器由于其测量范围很小,变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向,安装固定后调整变送器零位到标准值。

八大发展趋势

一、压力传感器产业化发展模式:要加速形成从传感器研究开发到大生产一条龙的产业化发展模式,走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路,使我国成为世界传感器的生产大国。   

二、传感器产品结构向全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜,尤其要填补“空白”品种。   

三、企业生产规模(年生产能力)向规模经济或适宜规模经济发展,量大面广的通用传感器的生产规模将以年亿只计,一些中档传感器的生产规模将以年产1000万只(含以上)计;而一些高档传感器和专用压力传感器的生产规模将以年产几十万只~几百万只计。   

四、生产格局向专业化发展。专业化生产的内涵为:1.生产传感器门类少而精;2.专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品,以获得较高的市场占有率;3.各传感器企业的专业化合作生产。   

五、传感器大生产技术向自动化发展。传感器的门类、品种繁多,所用的敏感材料各异,决定了传感器制造技术的多样性和复杂性,综观当前传感器工艺线的概况,多数工艺已实现单机自动化,但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难,有待今后广泛采用CADCAM及先进的自动化装备和工业机器人,予以突破。   

六、压力传感器企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移。   

七、企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展。   

八、企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。

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