压力传感器-精品文档.docx

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1、压力传感器压力传感器综述压力传感器是在压力测量系统中，用来感应压力并将压力转换成与压力值成一定关系的电信号输出的敏感元件。根据工作原理不同压力传感器有压阻式、压电式、电容式、应变式、压磁式等类型；由于测量压力高低的不同，压力传感器有高压、中压、低压、微压和负压传感器等；由于用处不同，又有压差传感器、深度传感器、液面传感器、医用传感器以及应用在特殊场合的特种压力传感器；由于应用环境不同，又有一般型、防腐型、防高温型等压力传感器。为了输出标准直流电信号，便于计算机收集及与二次仪表规范配置，压力敏感元件能够与集成运算放大电路组成压力变送器。1压力传感器研究现状及发展趋势传感器技术是当代测量和自动化系

2、统的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的经过控制到当代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器，因而，很多国家对传感器技术的发展特别重视，如日本把传感器技术列为六大核心技术(计算机、通信、激光、半导体、超导体和传感器)之一。在各类传感器中压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定可靠、成本低、便于集成化的优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。除此以外，还广泛应用于水利、地质、气象、化工、医疗卫生等方面。由于该技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化，所以可用来制成血压计、风速计、水速计、压力表、电子称以及自动报警装置等。压力传感器已成为各类传

3、感器中技术最成熟、性能最稳定、性价比最高的一类传感器。因而对于从事当代测量与自动控制专业的技术人员必须了解和熟识国内外压力传感器的研究现状和发展趋势。1.1压力传感器的发展历程当代压力传感器以半导体传感器的发明为标志，而半导体传感器的发展能够分为四个阶段：(1)发明阶段(1945-1960年)：这个阶段主要是以1947年双极性晶体管的发明为标志。此后，半导体材料的这一特性得到较广泛应用。史密斯(CS。Smith)与1945发现了硅与锗的压阻效应，即当有外力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。根据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小

4、尺寸大约为1cm。(2)技术发展阶段(1960-1970年)：随着硅扩散技术的发展，技术人员在硅的(001)或(110)晶面选择适宜的晶向直接把应变电阻扩散在晶面上，然后在反面加工成凹形，构成较薄的硅弹性膜片，称为硅杯。这种形式的硅杯传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、稳定性好、成本低、便于集成化的优点实现了金属-硅共晶体，为商业化发展提供了可能。(3)商业化集成加工阶段(1970-1980年)：在硅杯扩散理论的基础上应用了硅的各向异性的腐蚀技术，扩散硅传感器其加工工艺以硅的各项异性腐蚀技术为主，发展成为能够自动控制硅膜厚度的硅各向异性加工技术，主要有V形槽法、浓硼自动中止法、阳极氧化法自动中

5、止法和微机控制自动中止法。由于能够在多个外表同时进行腐蚀，数千个硅压力膜能够同时生产，实现了集成化的工厂加工形式，成本进一步降低。(4)微机械加工阶段(1980年-今)：上世纪末出现的纳米技术，使得微机械加工工艺成为可能。通过微机械加工工艺能够由计算机控制加工出构造型的压力传感器，其线度能够控制在微米级范围内。利用这一技术能够加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，使得压力传感器进入了微米阶段。1.2压力传感器国内外研究现状从世界范围看压力传感器的发展动向主要有下面几个方向。(1)光纤压力传感器这是一类研究成果较多的传感器，但投入实际领域的并不是过多。它的工作原理是利用敏感元件受压力作用时的形变与反射光

6、强度相关的特性，由硅框和金铬薄膜组成的膜片构造中间夹了一个硅光纤挡板，在有压力的情况下，光线通过挡板的经过中会发生强度的改变，通过检测这个微小的改变量，我们就能测得压力的大小。这种敏感元件已被应用与临床医学，用来测扩张冠状动脉导管气球内的压力。可预见这种压力传感器在显微外科方面一定会有良好的发展前景。同时，在加工与健康保健方面，光纤传感器也在快速发展。(2)电容式真空压力传感器E+H公司的电容式压力传感器是由一块基片和厚度为0。82。8mm的氧化铝(Al2O3)构成，其间用一个自熔焊接圆环钎焊在一起。该环具有隔离作用，不需要温度补偿，能够保持长期测量的可靠性和持久的精度。测量方法采用电容原理，

7、基片上一电容CP位于位移最大的膜片的中央，而另一参考电容CR位于膜片的边缘，由于边缘很难产生位移，电容值不发生变化，CP的变化则与施加的压力变化有关，膜片的位移和压力之间的关系是线性的。碰到过载时，膜片贴在基片上不会被毁坏，无负载时会立即返回原位无任何滞后，过载量能够到达100%，即便是毁坏也不会泄漏任何污染介质。因而具有广泛的应用前景。(3)耐高温压力传感器新型半导体材料碳化硅(SiC)的出现使得单晶体的高温传感器的制作成为可能。Rober.S.Okoji报导了一种运行试验达500e的A(6H)SiC压力传感器。实验结果表明，在输入电压为5V，被测压力为6.9MPa的条件下，23500e时的

8、满量程输出为44.6620.03mV，满量程线度为20.17%，迟滞为0.17%。在500e条件下运行10h，性能基本不变，在100e和500e两点的应变温度系数(TCGF)，分别为20.19%/e和-0.11%/e。这种传感器的主要优点是PN结泄漏电流很小，没有热匹配问题以及升温不产生塑性变型，能够批量加工。Ziermann，Rene报导了使用单晶体n型B-SiC材料制成的压力传感器，这种压力传感器工作温度可达573K，耐辐射。在室温下，此压力传感器的灵敏度为20.2muV/VKPa。(4)硅微机械加工传感器在微机械加工技术逐步完善的今天，硅微机械传感器在汽车工业中的应用越来越多。而随着微机

9、械传感器的体积越来越小，线度能够到达12mm，能够放置在人体的重要器官中进行数据的收集。Hachol，Andrzej；dziuban，JanBochenek报导了一种能够用于测量眼球的眼压计，其膜片直径为1mm。在内眼压为60mmHg时，静态输出为40mV，灵敏度系数比拟高。(5)具有自测试功能的压力传感器为了降低调试与运行成本，DirkDeBruyker等人报导了一种具有自测试功能的压阻、电容双元件传感器，它的自测试功能是根据热驱动原理进行的，该传感器尺寸为1.2mm，3mm，0.5mm，适用于生物医学领域。(6)多维力传感器六维力传感器的研究和应用是多维力传感器研究的热门，如今国际上只要美

10、!日等少数国家能够生产。在我国北京理工大学在跟踪国外发展的基础上，又创始性的研制出组合有压电层的柔软光学阵列触觉，阵列密度为2438tactels/cm2，力灵敏1g，构造柔性很好，能抓握和识别鸡蛋和钢球，现已用于机器人分选物品。1.3压力传感器的发展趋势当今世界各国压力传感器的研究领域特别广泛，几乎浸透到了各行各业，但归纳起来主要有下面几个趋势：(1)小型化目前市场对小型压力传感器的需求越来越大，这种小型传感器能够工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，能够放置在人体的各个重要器官中采集资料，不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2500P

11、SI的传感器，直径仅为1。27mm，能够放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。(2)集成化压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以构成测量和控制系统。集成系统在经过控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。(3)智能化由于集成化的出现，在集成电路中可添加一些微处理器，使得传感器具有自动补偿通讯、自诊断、逻辑判定等功能。(4)广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如：汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。(5)标准化传感器的设计与制造已经构成了一定的行业标准。如ISO国际质量体系；美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的OCT、日本的JIS标准。2几类常

12、见压力传感器的原理以及应用2.1压电式压力传感器2.1.1原理压电式压力传感器有各种不同的构造形式，但它们的基本原理一样。图1是压电式压力传感器原理简图，它由引线、壳体、基座、压电晶片、受压膜片及导电片组成。当膜片遭到压力P作用后，在压电晶片上产生电荷。电荷量q为：SPdFdq1111=1式中：F作用于压电片上的力；11d压电系数；P压强，P=F/S；S膜片的有效面积。图1压电式压力传感器构造原理图当压电式压力传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在客观存在的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，可把压电传感器看成是一个静电发生器，压电传感器可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电

13、路，传感器内部信号电荷无漏损。外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。事实上，传感器内部不可能没有泄露，外电路负载也不可能无穷大，只要外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因而，压电晶体不合适于静态测量。传感器与测量仪器连接时，则应考虑连线的等效电容，前置放大器的输入电阻、输入电容。压电传感器完好的等效电路如图2所示。Ca传感器的固有电容Cr前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Rr前置放大器输入电阻图2压电式传感器等效电路2.1.2放大电路二次仪表电荷放大器二次仪表也选用KISTLE公司生产的电荷放大器，它是一

14、种输出电压与输入电荷量成正比的低噪声电荷放大器，电荷放大器是一个具有深度负反应的高增益放大器，其基本电路原理如图3所示。它与压电型传感器配接，把压力信号转换成电信号。它具有噪声小、稳定可靠、多台之间的相位误差小，对于试验中同时输出多路信号很有好处；另外，它受输入配接长电缆对测量精度影响甚小，非常有益于试验。图3电荷放大器原理电路图2.1.3产品1Y-YD-1042压电式压力传感器2.2电容式压力传感器的基本理论2.2.1原理由于近年来集成电路工艺的不断提高与完善以及理论的进一步成熟，如今的传感器在工作原理、构造设计以及制造工艺上对传统的传感器有了很大的突破。尤其是在力学量传感器上如今普遍采用的

15、传感器的工作原理是应变式和压阻式等，也有采用单电容式的；而在材料上，有采用蓝宝石、陶瓷、金属应变丝、多晶硅和单晶硅等等。不管哪种材料，各种传感器都有各自的敏感元件，尤其是应变式、压阻式和电容式传感器，它们都有一个弹性元件，本文就是通过硅岛膜的位移来感应压力的。早期的电容式压力传感器的敏感元件是金属材质的。金属的韧性非常好，尤其是金属膜片比拟薄的时候，十分容易构成褶皱。假如压力传感器的敏感膜片出现褶皱将严重影响传感器的性能，所以在加工经过中应十分小心，这也是传感器加工经过中一个特别棘手的问题。随着加工技术的成熟和广泛采用，人们自然想到利用硅替代金属制作敏感膜片，由于硅不仅有一定的机械强度，而且刚

16、性良好不易变形，同时也是一种特别理想的弹性体。由此可见，敏感元件具有良好的刚性和弹性，对于电容式压力传感器来讲是非常必要的。电容构造的基本理论：两个平行的导电板之间绝缘并且不考虑边缘电场效应的情况下，所构成电容的表达式为000/dSCr=式中0为真空中的介电常数，r为介质的相对介电常数，0S为极板的相对面积，0d为两极板间的距离。从电容的表达式中能够看出，改变电容C有3种方法：改变介质的相对介电常数r；改变极板的相对面积0S；改变两极板间距离0d。通过外界因从来改变以上参数，电容的输出就会发生变化，有一增量C?，进而能够反映出外界因素作用的大小，电容式压力传感器就是利用这种原理来制造的。从这种

17、变换原理出发，人们就能够设计出很多种构造，各种构造又适用于不同物理量的测量。极间距变化型电容式压力传感器的优点是可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小，灵敏度高，适用于较小位移(0。01L数百L)的测量。但这种传感器有线性误差，传感器的杂散电容也对灵敏度和测量准确度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比拟复杂。面积变化型电容式压力传感器的优点是输出与输入成线性关系。但与极间距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。但对于压力传感器来讲，如今普遍采用的是改变极板间距d0来改变电容。由于，这种构造不管在数据收集和处理上或是在制作工艺上，都比通过改变另外2个参数的构造容易得多。

18、所以，如今的电容式压力传感器大多数还是采用变间距式构造。2.2.2薄膜电容式压力传感器俄罗斯宇航局的一研究所在薄膜电容式压力传感器研究上已有相当成熟的经历，大约在80年代末已有产品，其主要技术指标如下：基本误差：0。05%工作温度范围：-196+20+20+350温度系数：很小的体积，是一种很有特色的产品。目前，该所研制的产品首先大量应用于工业检测领域，估计不久将推广到航天测试领域。在其它国家能否也有此种原理的产品，目前尚未看到正式报道。图4是敏感元件构造简图。在敏感膜片和固定金属块上各有一个用薄膜工艺制作成的金属电极。电极间隙由垫环保证，其材料应该与敏感膜片及固定金属块所用材料一样，以保证整

19、个构造具有一致的线涨系数。图4敏感元件示意图固定电极薄膜绝缘层垫环薄膜电极敏感膜片此敏感元件的集总参数电路模型可用三端电容来描绘，该模型示于图5。图5敏感元件电路模型xroxdSC=在图5中1sC和2sC分别为薄膜电极与金属基底之间的电容；pC和pC为其它杂散电容；xC为二个薄膜电极之间的电容：其中，xd为极间间隙，xd路具有此特点，其原理示于图6。图6抗杂散电容电路电路图开关控制信号充电经过放电经过0开关打开1开关关闭基本电路及CMOS开关的时序如图6所示。工作的基本经过就是向未知电容xC充电至已知电压cV，然后再使电容放电。由时钟信号来控制xC的充、放电周期。未知电容xC的连续放电电流脉冲

20、由一个电荷检测器来测量。见图6。充电经过示于图6。当时钟变成高电位时，开关S1关闭，未知电容xC的电极B接地。经过一个很短的延时T1后，开关S2关闭，xC的电极A与充电电源接通，充电电源向电容xC及杂散电容0C(连到电极A的总杂散电容)充电，电极A被充电至cV+，杂散电容0C也被充电至cV+。而连到电极B的总杂散电容0C两端都接地，所以没有被充电。放电经过示于图6。当时钟变成低电位时，S1、S2打开，然后S3关闭，使未知电容xC的电极B与具有虚地电位的电荷检测器的输入端接通。在延时T1后，S4关闭，电容xC与0C开场放电。电容0C的放电电流直接入地，不经过电荷检测器，因此对测量无影响。杂散电容

21、0C的电极B电位由地电位变成虚地电位，所以0C既不从电荷检测器抽取电流，又不向电荷检测器放电，因此对测量无影响。只要未知电容xC的放电电流流过电荷检测器，因此能够得到较高的测量精度。从以上的分析能够看出，杂散电容的影响从理论上看完全被消除了，因而，图6的电路具有抗杂散电容的性能。这样，在充放电经过中，通过电荷检测器总的电荷能够表示为：cxVCQ=至于怎样将电荷变为电压或电流输出，这已经是一个普通问题。此电路的检测范围为120pF，杂散电容允许到100pF。在此基本电路的基础上，能够演变出多种形式的详细测量电路。在我们研究项目中，一种高精度反应式电荷平衡型检测电路的研究工作已有初步结果。其杂散电

22、容抑制比达100dB，检测电容范围为0.120pF；分辩率为1fF；温度误差0.01%。2.3压阻式压力传感器2.3.1原理电阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变换元件。电阻变换器的输入量为应变LL/?=，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。通常610-=为一个微应变。电阻变换器的输出量为电阻值的相对变化量RR/?。电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。根据半导体材料的压阻效应：=?/且E=其中：是应力(F/S)；是压阻系数，Nm/10)8040(211-?=，E是弹性模量，211/1067.1mNE?=，所以电阻的相对变化为ERR?/。要测量其他物理

23、量，如压力、力、加速度等，就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上，这些物理量被转换为弹性元件的应变，再经应变片将应变转换为电阻输出量，应变传感器的组成框图如图7。图72.3.2供电及信号处理电路1供电电路压阻式传感器能够用恒压源供电，可以用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题，如图8所示。图8假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R，当有应力时，两个电阻阻值增加，增量为R，另两个电阻阻值减小，减小量为R，由于温度影响，使每小电阻值都有TR?的变化量。因而，电桥的输出：恒压时TRRREV?+?=能够看出输出电压V与温度有关且为非线性，所以用恒压源供电时，不能消除温度

24、的影响。恒流时RIV?=能够看出输出电压V与温度无关，这就消除了温度对传感器输出信号的影响。所以，可采用如图9所示的恒流源供电电路，它采用双电源供电以避免共模干扰。电流I0=2.5R，其稳定度取决于基准电压源1403和电阻R的稳定度。图9(2)处理电路压阻式传感器的满量程输出信号为70350mV不等，其输出阻抗很高，这就要求放大电路须有更高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免毁坏传感器的工作状态，这里介绍的放大电路如图10所示。E图10这一电路具有很高的输入阻抗和很高的共模抑制比和开环增益；失调电流、电压、噪声和漂移都很小。图中A1，A2组成第一级同相并联差动放大器，这一级的放大输出为i

25、VWRRVVV/)(12102020+=-=；A1，A2输入端不吸收电流，并且电路构造对称，漂移和失调互相抵消，具有抑制共模信号干扰的能力；A3构成第二级差动放大，提高放大倍数，欲有效地抑制共模信号干扰，须使电路中R3=R4=R，R5=R6=Rf则放大器总输出为iffVWRRRRVRRV/)(1)/()/(2100+-=-=调节电位器W，可改变放大器增益，令R1=R2，则ifVWRRRV/21)/(0+-=2.3.3典型应用下面是压阻式传感器在压力表自动检定系统中的应用示例，该系统可完全取代原来0.040.6MPa，0.16MPa，160MPa，三台活塞式压力计，对0.25级下面所有压力表可施

26、行半自动检定，将大大减轻操作者的劳动强度，提高检定效率，整机框图如图11所示。图11由于整个系统有6只压力传感器，用到其中一只时才把它连接到系统的传感器接头上，为防止因接错传感器而造成对压力传感器的过载性损害，就需要给传感器带上。身份证。，并通过电路和把接入的传感器识别出来，让单片机进行判定分析。这里考虑给传感器带上短路插头，加上由6只电阻和+15V电源构成的插座，完成传感器的识别。2.4压磁式压力传感器压力传感器是应用最广泛的传感器之一，同流量、液位、温度传感器一同构成了支撑工业自动化的四大传感器，被广泛应用于空间流体测量、汽车、航空、航海、冶金、机械、机器人等相当广泛的领域。目前，国内外常

27、用的压力传感器有压电式压力传感器、电阻应变片式压力传感器等。电阻应变式压力传感器是应用最广泛的压力传感器，但在测试时必须将应变片粘贴在试件或传感器的弹性元件上。这样，粘合剂所构成的胶层就有着重要的作用，它要准确无误的将弹性体的变形传递到应变计的电阻敏感栅上去，粘合剂性能的优劣直接影响应变计的工作特性，如蠕变、机械滞后、绝缘电阻、灵敏度、非线性等，并影响这些特性随时间或温度变化的程度。而对于某一粘合剂而言，假如其抗剪切强度高，收缩率就会大，抗冲击性就差；韧性好，固化时间就长；在高温下使用的粘合剂固化方法，粘贴操作比拟复杂。因而，这就制约了应变式压力传感器的精度，线性度及使用范围。压电式传感器因电

28、荷易。跑失。，不宜进行静态压力的测量，并且信号放大需特殊的电荷放大器，成本较高，使其通用性遭到限制。压磁式传感器也称磁弹性传感器是近几年来国内外新兴的一种新型传感器。它的作用原理是建立在磁弹性效应的基础上，即利用这种传感器将作用力变换成传感器导磁率的变化，并通过导磁率的变化输出相应变化的电信号。压磁式传感器有下面优点：1输出功率大，信号强；2构造简单，牢固可靠；3抗干扰性能好，过载能力强；4便于制造，工艺简单，成本低；5压磁式压力传感器适于静态，动态力测量；6与压电式传感器相比，信号放大电路简单，无需电荷放大器，无需特殊的同轴电缆，只用一般导线即可；7与电阻应变式传感器相比，无需粘贴，安装方法

29、简单。正由于它有以上突出的优点，而同时关于它的很多方面，如磁性材料的选择、励磁方式的选择、磁性材料的热处理、输出特性等在理论和技术上尚未成熟，因而，正成为研究的热门与方向。同时也正由于它较压电式传感器、电阻应变式传感器有着以上的优势，所以对它的研究有非常重要的理论和实用价值152.4.1原理当铁磁材料遭到机械力的作用时，在它的内部产生应变，进而产生应力，导致磁导率发生变化的现象称为压磁效应。磁材料被磁化时，假如遭到限制而不能伸缩，内部会产生应力。同样在外部施加力也会产生应力。当铁磁材料因磁化而引起伸缩不管何种原因产生应力时，其内部必然存在磁弹性能量E，分析表明，E与m之积成正比，其中m为磁致伸缩系数。并且还与磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E的存在，将使磁化方向改变，对于正磁致伸缩材料，假如存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，进而使拉应力方向的磁导率增大。压应力将使磁化方向转向垂直于应力的方向，削弱压应力方向的磁化，进而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，情况正好相反。这种被磁化