压力传感器的选择与应用

现代测量技术涉及到众多的非电量，如重量、力和力矩、加速度、压力、流量等力学量；温度、热量等热学量，以及气体、液体的成分、浓度等化学量。这些物理量进行直接测量时非常困难和不方便，需用一种转换装置将其转化为易于测量、传输和处理的电量，这种装置就是传感器。传感器的种类很多，压力传感器是其中最成熟的技术，就市场销售额来看，居传感器之首，并且每年增长率达20 % ,具有广阔的应用前景。不同技术性能的压力传感器应用于不同的测量需求己成为当前压力传感器发展和应用的一个重要课题。 1  压力传感器的选择 随着现代测量和自动化技术的发展，压力传感器的用量每年以20 %的速度增长。目前市场上的压力传感器品种繁多，规格及技术性能不一，价格差别也很大。摆在使用者面前的问题是，应选用怎样的压力传感才能满足需要？ 哪些指标是最重要的？ 应考虑哪些问题？ 这就涉及到传感器的选用。选用的原则便是以最经济的价格买到满足其用途、压力量程、精度要求、温度范围、电和机械要求的压力传感器。 传感器装到设备上后，运行正常、稳定，测量准确。以下是选用压力传感器时必须考虑的几个重要方面。 1.1  用 途 由于结构不同，压力传感器可以分为测定绝对压力、对大气的相对压力和差压。测定绝对压力时，传感器内自身带有真空参考压，所测压力与大气压力无关，是相对于真空的压力。对大气的相对压力是以大气压力为参考压，因此传感器弹性膜一侧始终与大气是连通的。由于大气压力与离地面的高度、四季中大气中水汽含量的变化以及不同地点和组成大气的各种气体的含量的变化有关。因此，所测得的相对压力便与上述因素有关。此外，还可从传感器弹性膜两侧分别导人流体压力，这样能测定流体不同地点或流体间的差压。针对不同用途应选用不同结构的压力传感器。 1.2  压力量程范围 压力传感器的压力适用范围是分级的。这是因为压力传感器的弹性膜承受流体压力有一个限度。这就是通常所说的耐压极限，超过此极限弹性膜便破裂了。一般来说，每一传感器都有20 - 300 %的过压能力。因此，产品说明书上的压力最大量程为耐压极限的30 - 80 %. 选用过高的压力量程是不必要的。 压力量程的选用应主要考虑三个方面的因素： 即传感器的最大过压能力、精度与压力量程的关系和传感器的价格与压力量程的关系。 对于传感器的最大过压能力，传感器承受静压力与动压力情况下是有很大区别的。后者往往会出现冲击压力，甚至冲击波。冲击压力远高于静压力。如果选用的最大工作压力量程是指静压力的话，传感器在承受动压力时，应选用较大的过压能力。否则冲击压力很容易达到极限耐压，使压力传感器受到破坏。 对于精度与压力量程的关系。压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移系数及非线性误差是影响传感器精度的重要指标。对同一压力传感器来说，热零点漂移系数随工作压力增加而减小，而热灵敏度系数和非线性误差随工作压力增加而增加。因此，工作压力增加有利于减小热零点漂移，而不利于热灵敏度漂移和非线性误差。热零点漂移比较大时，提高工作压力量程有利于提高压力传感器的精度。热零点漂移比较小时，减小工作压力量程有利于提高精度。对不同压力量程的传感器来说，灵敏度是不同的。低压力量程传感器的灵敏度高分辨率自然也高。 对于传感器的价格与压力量程的关系，一般来说，013 - 1MPa 的压力传感器的价格较便宜，011MPa以下或1MPa 以上的压力传感器价格比较贵。测定2- 3kPa 压力时可选购10 - 50kPa 的压力传感器。特别是使用者自己设计和选用补偿电路时，能使精度进一步提高。这样可以使成本大幅度降低。一般而言，质量好的压力传感器，满量程输出都可以达到100mV/ 10V. 如果只用一半的压力量程，则对应的输出便只有50mV/ 10V. 因此最大工作量程应尽可能接近产品说明书上所标明的该压力传感器的量程级。 1.3  精 度 压力传感器可用作压力计量元件或作敏感元件进而进行自动控制。特别对前一用途，对它提出比较高的精度要求。由于用半导体芯片制成的压力传感器的精度受温度的影响，因此应注意传感器的使用温度范围。 静态精度是指某一特定温度（室温25 ℃） 下应达到的精度。可以分为四档：0101 - 011 %FS 为超高精度：011 - 1 %FS 为高精度：1 - 2 %FS 为普通精度；2 - 10 %FS 为低精度。 全温度范围精度是指压力传感器在整个使用温度范围内都应达到的精度。同样可以分为四档： 0101 - 011 %FS;011 - 1 %FS;1 - 2 %FS;2 - 10 %FS. 静态精度达到011 - 1 %FS ,也许全温度范围精度只够1 - 2 %FS ,甚至只够2 - 10 %FS. 对使用者来说，往往希望压力传感器的精度越高越好。但是压力传感器达到高精度时，必然在制作过程中增添了许多附加工艺以及校淮过程和补偿技术，相应成本提高了，当然其售价也随之大幅度增加。因此应根据压力传感器实际应用场合和要求，提出合理的精度要求及相应的温度范围。 1.4  电学要求 一般普通压力传感器的输出为模拟信号，近距离满量程输出电压可达100 - 150mV ,输出电流为0- 0101mA. 远距离输出信号电压便会衰减，应采用电流信号输出。经压力变送器将电流放大后可以输出20mA 以下的电流信号。这样，价格就成倍增加。 另外，只有经过A/ D 和V/ F 变换后才能得到数字信号和频率信号。 恒流源和恒压源都是通常传感器采用的两种激励源。两种激励方法是有区别的，其作用不同。 恒流源激励有利于热灵敏度漂移的补偿作用。 因为桥臂电阻器的温度系数为正，而灵敏度温度系数为负。恒流源激励时的输出信号电压的温度系数是两者的代数和。而恒压激励不能直接提供灵敏度温度补偿效果。但用恒压源激励时可在桥外串接热敏电阻或二极管以补偿热灵敏度漂移。用恒流源激励时，这种灵敏度补偿方法便不起作用。可见，恒压源激励和恒流源激励相互之间不能随意互换。 一般精度测量时用恒流源激励。恒压源激励时，测量的精度取决于恒压源稳压器件的精度。 另外，又可将压力传感器的激励电源分为正比激励和固定激励。前者是将压力传器电桥直接接到电源上，当电源改变时，压力传感器的灵敏度和零点都随之发生变化。后者内部有一个参照电压，压力传感器电桥由参照电压供电激励。参考电压是恒定的，与电源电压无关。只要电源电压在一指定电压范围内变化，参照电压不变。因而传感器的输出不变，不受电源电压的影响。 压力传感器可以用电池供电，但更普遍的是采用直流稳压电源技术。电池供电时噪声小，但随电池使用，供电电压逐渐降低，特别是当传感器用正比激励时，灵敏度便逐渐减小。这就会造成读数不准。因此要采用补偿办法（例如压力传感器和A/ D 变换器共用一个电池供电） ,或者使用低功耗、小电流的压力传感器，长寿命电池，或者测量压力时接上电源，测量完毕后，将电池关闭节省电能。换上新电池后，压力传感器需要重新校准标定。这是因为不同牌号的电池其电动势、内阻都存在一定的差异。压力传感器的电桥激励电压的变化会造成灵敏度的改变。 1.5  作业方式 作业方式也是需要考虑的重要问题。例如传感器用于气体压力的测量与液体压力的测量时情况便不同。气体是可压缩流体，增夺时会贮存一定的压缩能，减压时又以动能释放出来，给传感器弹性膜施加冲击波。要求压力传感器有较大的过载能力。液体是不可压缩流体，在压力传感器安装时，拧紧螺拴又无可压缩空间则可使液体压力升高超过弹性膜的耐压极限，导致弹性膜破裂。由于这种情况屡屡发生，也要求压力传感器有较大的过压能力。 压力传感器的工作环境恶劣时，例如有大的振动、冲击，大的电磁干扰，对传感器提出更为严格的要求。不仅过压能力强，而且要求机械密封可靠，防松动，传感器安装正确。传感器自身的引线、引脚以及外导线都应加以电磁屏蔽，并将屏蔽良好接地。 此外，应考虑压力传感器与所测流体介质的相容性问题。例如传感器的弹性膜结构应与腐蚀性介质相隔开，此时采有不锈钢波纹套传感器，传感器内用硅油作传压介质。传感器检测易燃、易爆介质压力时，使用小激励电流，防止弹性膜破裂时产生火花、火星，并增加压力传感器外套的耐压能力。 1.6  对温度的要求 用半导体芯片制备的压力传感器的特点是受温度的影响大，不仅存在热零点漂移还存在热灵敏度漂移。温度明显影响压力传感器的精度。为了消除温度的影响，就需应用各种温度补偿技术。温度范围越宽，补偿技术难度越大，且校准工作量越大，所能保证的全温度范围的精度便越低。为此应根据压力传感器所应用的实际温度范围和精度要求提出合理的要求。 一般将压力传感器的使用温度范围分为四类： 普通商业级，范围为- 10 - 60 ℃；工业级，范围为-25 - 80 ℃；军事级，范围为- 55 - 125 ℃；特殊级，范围为- 60 - 350 ℃。 压力传感器在室内应用时，可选择商业级；有室外应用时可选择工业级。也可以采取措施使传感器与环境热隔离或进行加热或冷却，选择普通商业级用在- 10 ℃以下或60 ℃以上的环境中。选择什么温度范围还应考虑传感器的电子学温度特性和机械温度特性。 1.7  对压力密封的要求 通常用的压力密封是橡胶垫（或称O 型环） 、环氧树脂、聚四氟乙烯垫、锥孔配合、管螺纹配合及焊接等方式。所用的密封材料决定了压力传感器的工作温度范围。 2  应 用 广义的讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的种类繁多的传感器，都可称为压力传感器。它们在工业、军事和民用等各方面得到一定的应用。 压电式压力传感器可用来测量压力范围为104 - 106Pa 、频率为Hz 至几十Hz （甚至上百千Hz） 的动态压力，在内燃机的气缸、油管、进排气管的压力测量、枪炮的膛压、生物医学及航空航天等领域都得到广泛的应用。 它们的弹性元件是由膜片、膜盒等把压力收集起来，转换成集中力，再传递给压电元件。为了保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶片并联组合方式。 压力传感器在应用中应注意以下几点： （1） 确保弹性膜片与后传力件有良好的面接触，用以实现减小滞后与线性误差，提高静、动态特性； （2） 传感器的基体和壳体要有足够刚度，保证被测压力能够尽可能地传递到压电元件上： （3） 压电弹性元件的选择要考虑到频率覆盖：弯曲（014 - 100kHz） ,压缩（40kHz- 15MHz） ,剪切（100kHz - 125MHz） ; （4） 涉及传力的元件要采用高声速材料和扇薄结构，以利于快速、无损失的传递弹性元件的弹性波，提高动态特性： （5）要考虑加速度、温度等环境干扰的补偿。 3  结 论 近几年来，我国压力传感器技术正在蓬勃发展，应用领域也在迅速扩大。由于压力传感技术所涉及的技术广泛，几乎渗透到各个专业领域，因此，对压力传感器新理论的探讨、新技术与新方法的应用、新材料和新工艺的研究将成为发展趋势。