压力变送器原理

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用
应变片压力传感器原理与应用 　　
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。　　在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构 　　如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理　　金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：                                                                    
R=ρ＊L/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω•cm2/m）            
S——导体的截面积（cm2）          
L——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情

陶瓷压力传感器原理及应用　　
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥闭桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。　　陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。 3、扩散硅压力传感器原理及应用工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。原理图 4、压电压力传感器原理与应用　　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。　　 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泛。

压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，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。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。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
A/D转换器将解调器的电流转换成数字信号，其值被微处理器用来判定输入压力值。微处理器控制变送器的工作。另外，它进行传感器线性化。重置测量范围。工程单位换算、阻尼、开方，，传感器微调等运算，以及诊断和数字通信。
本微处理器中有16字节程序的RAM，并有三个16位计数器，其中之一执行A /D转换。
D/A转换器把微处理器来的并经校正过的数字信号微调数据，这些数据可用变送器软件修改。数据贮存在EEPROM内，即使断电也保存完整。
数字通信线路为变送器提供一个与外部设备(如275型智能通信器或采用HART协议的控制系统)的连接接口。此线路检测叠加在4-20mA信号的数字信号，并通过回路传送所需信息。通信的类型为移频键控FSK技术并依据BeII202标准

单晶硅谐振式传感器：
是一块单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术，在单晶硅芯片上制成两个完全一致的H形状的谐振梁，并以一定的频率产生振动。其谐振频率取决于梁的长度和张力，其梁的长度已经确定，而张力是随压力变化而变化。从而把压力的变化转换成频率的变化，对差压采用频率差分技术，并将频率差信号直接输出到CPU进行运算和A/D转换。
它具有如下特点：
1、精度高：    由于传感器使用的是单晶硅谐振式传感器，其优良的性能保证了测量的精度，变送器的精度可达到±0.065%，这是其他变送器无法比拟的。
2、稳定性好：由于电路采用了特性修正存贮器，对采集到的温度、静压数据通过CPU运算，修正因此产生的测量漂移。同时，智能转换器采用了大规模集成电路，并将放大器AISC化，减少了零部件，提高了放大器的自身可靠性，使仪表具有非常可靠的稳定性和重复性。我厂从97年开始使用EJA智能变送器至今，几乎无维护量，零点和量程均无漂移，深受变送器维护人员的青睐。
3、静压特性好：由于两个谐振梁加工工艺精密，尺寸完全一致，且处于同一表面，故在受压后产生的频率变化是相同的，其差值保持不变。 因此，在静压引入仪表时对测量几乎没有影响，保证了测量的精度。
4、具有良好的单向受压特性：   变送器具有非常优良的承受反复交替的高压侧、低压侧反复受压的能力，其数值可大16Mpa。其受压时间可达30S。其优点是安装时可以省去平衡阀，节省投资。另一方面可以防止因误操作或导压管堵塞造成变送器单向受压损坏，可以避免因此给企业造成的损失。
5、具有较宽的测量范围：  EJA智能变送器在常用的范围内，其量程比为100：1，也可以为30：1～40：1。但衡量一种变送器是否具有较宽的测量范围外，还需要考虑变送器的各部分材质和许多附加规格是否能一机多用，EJA变送器在这一点上显示了较好的优越性，其接液部件材质、本体和排气阀材质均采用JIS SUS316，膜盒材质采用JIS SUS316L（膜片采用的是哈氏合金C-276），这样的高耐腐蚀材质，大大提高了变送器的通用性。因此，宽的量程比，通用性的接液部件材质，附加规格的减少，可使变送器的实用性和通用性得以提高，给设计者和使用者带来方便。同时，也减少了备表的数量和种类，为企业减少了维护费用。
6、方便的组态能力和自诊断功能： EJA变送器具有智能通讯功能，可以通过手持终端BT200/HART375或者DCS（具有现场通讯功能的I/O卡件）远距离对EJA变送器的量程、工程单位、运算功能、阻尼时间、位号等进行设置操作。并还可以对变送器进行故障诊断和零点调整；另外，对变送器的自诊断功能可以显示变送器的运行状况和故障信息，从而，指导检修维护人员对故障的分析和判断。

电容式压力变送器：
采用结构简单、坚固耐用且极稳定的可变电容形式，可变电容由压力腔上的膜片和固定在其上的绝缘电极所组成，当感受到压力变化时，膜片要产生微微的翘曲变形，从而改变了两极的间距，采用独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度补偿。传感器输出与被测压力成正比的直流电压或电流信号。精巧的结构、高性能的材料及先进的检测电路的完美结合，赋予了电容式 压力变送器以很高的性能。
它具有如下特点：
1、高性能：制作变送器的电容材料具有极稳定的物理化学性能，使产品具有极高的性能。精度高达± 0.02%FS 的传感器，稳定性优于± 0.05%FS ，如此高的性能是采用其它敏感原理的产品难以达到的。
2、机械变形：敏感电容模极板间距的微小的变化，即可产生可测量的电压信号变化，小的机械变形使传感器的迟滞和非重复性误差大大降低，同时传感器的速度也得到很大提高。
3、测量范围宽： 的压力变送器具有很宽的测量范围，它可对 25Pa ～ 70MPa 范围的压力进行精确的测量，且具有极高的稳定性。
4、长期稳定性好：压力变送器与其他同类产品相比具有更高的稳定性，与其它传感器如金属应变式传感器不同，电容式压力变送器的蠕变，时效和温度影响均很小。几乎所有不利因素对电容式传感器输出稳定性的影响均小于其他形式的传感器。 压力变送器的零点稳定性可达到 0.05%FS/ 年。
5、高输出信号： 压力变送器的电路可将电容的微小变化直接转换成高输出信号，而无需进行信号放大，压阻式传感器（薄模式， C 式）输出信号低，易受外界信号干扰等缺点，而这通常是传感器稳定性差，受温度影响大，易受电磁波干扰的主要原因。
6、防腐性能好： 压力变送器与介质相接触的材料均采用优质不锈钢材料，因而可与许多酸碱溶液，腐蚀性气体或液体很好地相容。
7、抗电磁场干扰：高输出信号、抗干扰设计及采用金属外壳和， 压力变送器对外部电磁场具有很高的抑制能力，它具有与可编程控制相当的抗干扰能力。
8、在恶劣环境中工作：的压力变送器非常经久耐用，它的工业级的产品可承受最小 10 7 次测满量程压力循环，如果工作压力不，传感器的循环寿命几乎可达到无限长，而且其工业的产品均能承受 100 ～ 200kg 的冲击和最小 10 ～ 20 的振动。
在使用过程中我们没有发现两种变送器的差别（也许不细心，请教），电容式压变主要有罗斯蒙特的1151和3051系列。单晶硅谐振式压变：日本横河的430和530系列。
电容式压力变送器原理：压力变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，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。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。压力变送器和绝对压力变送器的工作原理和差压变送器相同，所不同的是低压室压力是大气压或真空。
EJA系列智能变送器的工作原理： EJA系列智能变送器采用单晶硅谐振式传感器，在单晶硅芯片上采用微电子机械加工技术分别在其表面的中心和边缘作为两个形状、大小完全一致的H形状谐振梁，由于处于微型真空腔中，不与充灌液接触，因而确保振动时不受空气阻尼的影响。谐振梁分别将压力、差压信号转换成频率信号，送到脉冲计数器，再将两频率之差直接传递到CPU(微处理器)进行数据处理，经D/A转换器转换为与输入信号相对应的4～20mA DC的输出信号，并在模拟信号上叠加一个BRAIN/HART数字信号进行通信。 膜盒组件中内置的特性修正存贮器存贮传感器的环境温度、静压及输入/输出特性修正数据，经CPU运算，可使变送器获得优良的温度特性和静压特性及输入/输出特性。