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柔性阵列式压力传感器工作原理

发布日期:2020-09-21 04:40

  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

  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

  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

  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

  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

  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

  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

  利用应变电阻式工作原理,采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量

  蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成,不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚

  固,硬度更高,不怕形变;蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性(1000 OC 以内),因此,

  利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很

  好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅- 蓝宝石半导体敏感元件,无p-n 漂移,

  用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器,可在最恶劣的工作条件下正

  表压压力传感器和变送器由双膜片构成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异

  质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片,被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接

  收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)。在压力的作用下,钛合金

  接收膜片产生形变,该形变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后,其电桥输出会发生变化,变化的

  传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电,并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电

  信号输出(0-5 ,4-20mA或0-5V)。在绝压压力传感器和变送器中,蓝宝石薄片,与陶瓷基

  极玻璃焊料连接在一起,起到了弹性元件的作用,将被测压力转换为应变片形变,从而达到

  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

  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 、

  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,

  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

  MEMS:Micro-Electro-Mechanical System,即微机电系统。微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。

  常见的产品包括MEMS加速度计、MEMS麦克风、微马达、微泵、微振子、MEMS光学传感器、MEMS压力传感器、MEMS陀螺仪、MEMS湿度传感器、MEMS气体传感器等等以及它们的集成产品。

  MEMS传感器用于惯性传感方面主要有加速度传感器和陀螺仪传感器,及其相关变形产品,如:碰撞传感器、侧翻传感器。

  1.工作原理:根据牛顿第二定律F=m×a,惯性力等于质量块的质量乘以加速度,可以构建出下图图1结构。该结构已知质量块质量,悬浮弹簧用于测量惯性力,即可得出加速度值。

  首先是加速度,因为加速度是速度的微分,位移的微分再微分,所以能测量某段时间的相对速度和位移。

  另外因为加速度传感器的中有质量块,所以一直受重力影响,只要测量轴向不与重力垂直,就可以测量出传感器与重力的倾斜角。

  所以如果是单轴只能仅测几种参数,如果是三轴传感器不仅能个获得以上所有信息,还可以通过三轴之间的数据关系进行进一步的算法开发。

  输出方式有模拟量和数字量两种,数字量是在模拟量基础上增加AD转换及通讯模块,最后一把通过SPI和I2C通讯协议输出。

  应用的环境温湿度、是否有外界振动影响、量程及精度的选择、寿命及稳定性的选择

  先要了解一下科里奥利力:在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。

  根据上述公式,需已知加速度和球(质量块)的速度,即可得出角速度。所以,陀螺仪内部有一个已知速度的质量块,该速度的稳定性将影响到传感器的精度。另外加速度可以通过图1结果获得,这样就可以得到角速度。

  自动化技术的进步带动了工业设备的更新换代。除了液柱式压力计、弹性式压力表外,工业设备中采用更多的是可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢?今天小编为大家汇总了目前最常见的几种压力传感器的测量原理,一起过足瘾吧!

  基于压电效应(Piezoelectric effect),利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量,再进行相关测量工作的测量精密仪器。压电传感器只可以应用在动态测量当中。主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。随着技术的发展,压电效应也已经在多晶体上得到应用了。例如:压电陶瓷,铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。

  以压电效应为工作原理的传感器是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电材料制作而成的。当压电材料受到外力作用时表面会形成电荷,电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后,就会被转换成为与所受外力成正比关系的电量输出。它用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量,例如:加速度和压力。

  缺点是:有部分电压材料忌潮湿,因此需要采取一系列的防潮措施;而输出电流响应又比较差,就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。

  压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。由于硅是现今集成电路的主要材料,以硅制作而成的压阻元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变,而且也来自材料本身与应力相关的电阻,这使得其程度因子大于金属数百倍之多。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零位),当传感器受压后芯片电阻发生变化,电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源,电桥将输出与压力对应的电压信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化,经过放大后,再经过电压电流的转换,变换成相应的电流信号,该电流信号通过非线性校正环路的补偿,即产生了与输入电压成线mA标准输出信号。

  为减小温度变化对芯体电阻值的影响,提高测量精度,压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

  利用电容作为敏感元件,将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极,当薄膜感受压力而变形时,薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化,通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形,从而改变电容器的容量,其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比,而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状,膜片为周边固定的张紧平面,膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压,并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积,以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起,以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式(即话筒式)和听诊器式等型式。

  差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小,测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好,但加工较困难(特别是难以保证对称性),而且不能实现对被测气体或液体的隔离,因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

  利用电磁原理的传感器统称为电磁压力传感器,主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感等。

  电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同,当压力作用于膜片时,气隙大小发生改变,气隙的改变影响线圈电感的变化,处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出,从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种:变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大;缺点就是不能应用于高频动态环境。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时,气隙大小改变,即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压,电流会随着气隙的变化而变化,从而测出压力。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘在磁通密度高的场合,铁磁材料的导磁率不稳定,这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯,压力的变化导致磁性元件的移动,从而磁导率发生改变,由此得出压力值。

  霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内,且有电流通过时,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

  当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频率的交变电动势,建立霍尔电动势的时间极短,故其响应频率高。常用霍尔元件的材料大都是半导体,包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料。

  基于电涡流效应,由一个移动的磁场与金属导体相交,或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之,就是电磁感应造成的。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性,因此电涡流压力传感器可用于静态力检测。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘5、振弦压力传感器

  振弦压力传感器属于频率敏感型传感器,这种频率测量具有想当高的准确度,因为时间和频率是能准确测量的物理量参数,而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时,振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力,零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定,便于数据传输、处理和存储,容易实现仪表数字化,所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

  振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦,敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的,弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小,即输入的是力信号,输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成,下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳,包含一个电子模块和一个接线端子,分成两个小室放置,这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

  最全压力传感器分类及工作原理!认真看完就会明白其中的奥秘振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式,振弦以其谐振频率不停振动,当测量的压力发生变化时,频率会产生变化,这种频率信号经过转换器转换为4~20mA的电流信号。

  柔性阵列式压力传感器属于电阻式传感器,其工作原理与普通电阻式传感器基本相同。即接触力作用在力敏电阻元件上,力敏电阻元件将物理量转化为电阻变化,通过变换电路又转换为电压变化从而得到相关的力信息。

  应变加速度感应器 称重式料位计 电子皮带称重示意图 电子吊车秤 荷重传感器用于测量汽车衡的

  是当压敏电阻受压后产生电阻变化,通过放大器放大并采用标准压力标定,即可进行压力检测。压阻式

  的性能主要取决于压敏元件(即压敏电阻)、放大电路,以及生产中的标定和老化工艺...

  ,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...

  顾名思义就是用于测量固体之间的压力和拉压力,是一种常见的传感器,它是通过力敏器件检测其所受到的力的变化,根据拉力传递结构来传递力的物理信号,它的...

  最近刚刚做完一个关于气体压力检测的项目,由于本人模拟电路部分比较薄弱,在传感器放大电路的设计过程中遇到...由于我之前没有陶瓷

  的电路设计经验,加之自己也不是什么模拟电路高手,便选择了,先借鉴别人的

  与组成 压力传感器是检测压力,并将压力信号转换为电信号并成线性输出的装置。压力传感器可分为机械压力传感器和气压(液压)传感器。 机械压力传感器也就是测力传感器,单位通常为N、KN、KGf等等。 ...

  当传感器处在压力介质中时,介质压力作用于波纹膜片上,其中的硅油受压,硅油将膜片的 压力传感给半导体芯体。受压后其电阻值发生变化...体感受压力并保护芯体,因而压阻式

  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。今天文章就为大家介绍一下

  来源:一览众车/东方仿真物联网智库 转载摘要:帮你一次性搞清楚 40种传感器

  第2部分:热轧带肋钢筋 GB/T 1499.2-2018 钢筋混凝土用钢

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