常見(jiàn)類型的壓力傳感器
1、壓電式壓力傳感器
這類壓力傳感器主要是基于壓電效應(yīng)的原理。它主要采用一種壓電材料,主要包括石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫銨等。其中,石英是一種天然晶體,這種晶體中存在壓電效應(yīng)。在一定的溫度范圍內(nèi),壓電性能始終存在,但超過(guò)這個(gè)溫度范圍,壓電性能完全消失。
壓電式壓力傳感器主要用于測(cè)量加速度、壓力等。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。在生活中,我們可以在飛機(jī)、輪船和橋梁建筑上使用它們。
2、壓阻式壓力傳感器
該壓力傳感器是基于壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的,可用于描述材料在機(jī)械應(yīng)力作用下的電阻變化。與上述類別不同,壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化而不產(chǎn)生電荷。大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體材料已被發(fā)現(xiàn)具有壓阻效應(yīng)。其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬材料中的壓阻效應(yīng)。由于硅是集成電路的主要組成部分,因此硅壓阻元件的應(yīng)用就變得非常有意義。
3、電容式壓力傳感器
電容式壓力傳感器是一種利用電容作為傳感器件,將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)化為電容值變化的壓力傳感器。這類傳感器一般采用圓形金屬膜或鍍金金屬膜作為電極。當(dāng)薄膜受到壓力而變形時(shí),薄膜與固定電極之間形成的電容發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量電路可輸出與電壓相關(guān)的電信號(hào)。電容式壓力傳感器屬于極距變化式電容式傳感器,可分為單電容式壓力傳感器和差電容式壓力傳感器。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器
其工作原理是利用應(yīng)變電阻工作,利用硅藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件,具有不可估量的計(jì)量特性。該傳感器采用的電路可以保證電橋電路的穩(wěn)定供電,將應(yīng)變電橋的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的信號(hào)輸出。藍(lán)寶石壓力傳感器多用于醫(yī)療設(shè)備,主要包括醫(yī)療和環(huán)保方向的專業(yè)電子設(shè)備。當(dāng)然,它也可以用在汽車電子、通訊等方面。
5、電磁壓力傳感器
主要包括感應(yīng)壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、渦流壓力傳感器等。
1. 歸納壓力傳感器
①感應(yīng)式壓力傳感器是由于不同的磁性材料和磁導(dǎo)率所致。當(dāng)壓力作用在薄膜上時(shí),氣隙的大小發(fā)生變化,氣隙的變化影響線圈電感的變化。處理電路可以將電感的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)輸出,從而達(dá)到測(cè)量壓力的目的。壓力傳感器根據(jù)磁路的變化可分為變磁阻和變滲透兩種類型。電感式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,測(cè)量范圍大;缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。
②可變磁阻壓力傳感器的主要部件是鐵芯和膜片。它們之間的氣隙形成了磁路。有壓力時(shí),氣隙大小發(fā)生變化,即磁阻發(fā)生變化。如果對(duì)鐵芯線圈施加一定電壓,電流會(huì)隨著氣隙的變化而變化,從而測(cè)量壓力。
③在高磁通密度的情況下,鐵磁材料的磁導(dǎo)率是不穩(wěn)定的。在這種情況下,可采用可變磁導(dǎo)率壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。可變磁導(dǎo)壓力傳感器采用可動(dòng)磁元件代替鐵芯。壓力的變化引起磁元件的運(yùn)動(dòng),使磁導(dǎo)率發(fā)生變化,從而得到壓力值。
2. 大廳壓力傳感器
①霍爾壓力傳感器是基于某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)?;魻栃?yīng)是指將固體導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中,當(dāng)電流通過(guò)時(shí),導(dǎo)體中的載流子受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)到一側(cè),進(jìn)而產(chǎn)生電壓(霍爾電壓)的現(xiàn)象。電壓引起的電場(chǎng)力將平衡洛倫茲力。通過(guò)霍爾電壓的極性,可以確認(rèn)導(dǎo)體中的電流是由帶負(fù)電荷的粒子(自由電子)運(yùn)動(dòng)引起的。
②在導(dǎo)體上施加垂直于電流方向的磁場(chǎng),會(huì)使導(dǎo)體中的電子在洛倫茲力作用下聚集,從而產(chǎn)生一個(gè)電子聚集方向的電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)會(huì)使后續(xù)的電子受到電作用力,并平衡磁場(chǎng)引起的洛倫茲力,使后續(xù)的電子能夠順利通過(guò)而不產(chǎn)生偏差,稱為霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的內(nèi)置電壓稱為霍爾電壓。
③當(dāng)磁場(chǎng)為交變磁場(chǎng)時(shí),霍爾電動(dòng)勢(shì)也是相同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)。建立霍爾電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間很短,因此響應(yīng)頻率高。理想的霍爾元件材料要求高的電阻率和載流子遷移率,以獲得較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)。常用的霍爾元件材料多為半導(dǎo)體,包括n型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)和多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料。n型硅具有良好的霍爾系數(shù)、溫度穩(wěn)定性和線性度,且砷化鎵的溫度漂移小,因此目前被廣泛使用。
3.渦流壓力傳感器
基于渦流效應(yīng)的壓力傳感器。渦流效應(yīng)是由運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體的相交,或由運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)體與磁場(chǎng)的垂直相交引起的??傊怯呻姶鸥袘?yīng)效應(yīng)引起的。這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了在導(dǎo)體中循環(huán)的電流。渦流特性使渦流檢測(cè)具有零頻率響應(yīng)等特性,因此渦流壓力傳感器可用于靜力檢測(cè)。
6、振絲壓力傳感器
振絲壓力傳感器是一種頻率敏感傳感器。這種測(cè)頻精度高,因?yàn)闀r(shí)間和頻率是可以準(zhǔn)確測(cè)量的物理參數(shù),在頻率信號(hào)的傳輸過(guò)程中可以忽略電纜電阻、電感、電容等因素的影響。同時(shí),振絲壓力傳感器還具有較強(qiáng)的抗干擾能力,零漂移小,溫度特性好,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分辨率高,性能穩(wěn)定,數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)方便,易于實(shí)現(xiàn)儀器的數(shù)字化。因此,振絲壓力傳感器也可以視為傳感技術(shù)的發(fā)展方向之一。
振絲壓力傳感器的傳感元件是張拉的鋼弦,傳感元件的固有頻率與張拉力有關(guān)。繩子的長(zhǎng)度是固定的,繩子振動(dòng)頻率的變化可以用來(lái)測(cè)量拉力,即輸入是力信號(hào),輸出是頻率信號(hào)。振絲壓力傳感器由上下兩部分組成,下部分主要是傳感元件的組合。上面的部件為鋁殼,內(nèi)含電子模塊和端子座,放置在兩個(gè)腔內(nèi),這樣在接線時(shí)不會(huì)影響電子模塊腔的密封。
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