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壓力傳感器的選擇
2012-09-12
1、壓力傳感器的選擇
隨著現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，壓力傳感器的用量每年以20%的速度增長(zhǎng)。目前市場(chǎng)上的壓力傳感器品種繁多，規(guī)格及技術(shù)性能不一，價(jià)格差別也很大。擺在使用者面前的問(wèn)題是，應(yīng)選用怎樣的壓力傳感才能滿足需要？哪些指標(biāo)是最重要的？應(yīng)考慮哪些問(wèn)題？這就涉及到傳感器的選用。選用的原則便是以最經(jīng)濟(jì)的價(jià)格買(mǎi)到滿足其用途、壓力量程、精度要求、溫度范圍、電和機(jī)械要求的壓力傳感器。
傳感器裝到設(shè)備上后，運(yùn)行正常、穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確。以下是選用壓力傳感器時(shí)必須考慮的幾個(gè)重要方面。
1.1用途
由于結(jié)構(gòu)不同，壓力傳感器可以分為測(cè)定絕對(duì)壓力、對(duì)大氣的相對(duì)壓力和差壓。測(cè)定絕對(duì)壓力時(shí)，傳感器內(nèi)自身帶有真空參考?jí)海鶞y(cè)壓力與大氣壓力無(wú)關(guān)，是相對(duì)于真空的壓力。對(duì)大氣的相對(duì)壓力是以大氣壓力為參考?jí)?，因此傳感器彈性膜一?cè)始終與大氣是連通的。由于大氣壓力與離地面的高度、四季中大氣中水汽含量的變化以及不同地點(diǎn)和組成大氣的各種氣體的含量的變化有關(guān)。因此，所測(cè)得的相對(duì)壓力便與上述因素有關(guān)。此外，還可從傳感器彈性膜兩側(cè)分別導(dǎo)人流體壓力，這樣能測(cè)定流體不同地點(diǎn)或流體間的差壓。針對(duì)不同用途應(yīng)選用不同結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。
1.2壓力量程范圍
壓力傳感器的壓力適用范圍是分級(jí)的。這是因?yàn)閴毫?a href="http://www.91zenqing.cn">傳感器的彈性膜承受流體壓力有一個(gè)限度。這就是通常所說(shuō)的耐壓極限，超過(guò)此極限彈性膜便破裂了。一般來(lái)說(shuō)，每一傳感器都有20-300%的過(guò)壓能力。因此，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上的壓力最大量程為耐壓極限的30-80%.選用過(guò)高的壓力量程是不必要的。
壓力量程的選用應(yīng)主要考慮三個(gè)方面的因素：
即傳感器的最大過(guò)壓能力、精度與壓力量程的關(guān)系和傳感器的價(jià)格與壓力量程的關(guān)系。
對(duì)于傳感器的最大過(guò)壓能力，傳感器承受靜壓力與動(dòng)壓力情況下是有很大區(qū)別的。后者往往會(huì)出現(xiàn)沖擊壓力，甚至沖擊波。沖擊壓力遠(yuǎn)高于靜壓力。如果選用的最大工作壓力量程是指靜壓力的話，傳感器在承受動(dòng)壓力時(shí)，應(yīng)選用較大的過(guò)壓能力。否則沖擊壓力很容易達(dá)到極限耐壓，使壓力傳感器受到破壞。
對(duì)于精度與壓力量程的關(guān)系。壓力傳感器的熱零點(diǎn)漂移和熱靈敏度漂移系數(shù)及非線性誤差是影響傳感器精度的重要指標(biāo)。對(duì)同一壓力傳感器來(lái)說(shuō)，熱零點(diǎn)漂移系數(shù)隨工作壓力增加而減小，而熱靈敏度系數(shù)和非線性誤差隨工作壓力增加而增加。因此，工作壓力增加有利于減小熱零點(diǎn)漂移，而不利于熱靈敏度漂移和非線性誤差。熱零點(diǎn)漂移比較大時(shí)，提高工作壓力量程有利于提高壓力傳感器的精度。熱零點(diǎn)漂移比較小時(shí)，減小工作壓力量程有利于提高精度。對(duì)不同壓力量程的傳感器來(lái)說(shuō)，靈敏度是不同的。低壓力量程傳感器的靈敏度高分辨率自然也高。
對(duì)于傳感器的價(jià)格與壓力量程的關(guān)系，一般來(lái)說(shuō)，013-1MPa的壓力傳感器的價(jià)格較便宜，011MPa以下或1MPa以上的壓力傳感器價(jià)格比較貴。測(cè)定2-3kPa壓力時(shí)可選購(gòu)10-50kPa的壓力傳感器。特別是使用者自己設(shè)計(jì)和選用補(bǔ)償電路時(shí)，能使精度進(jìn)一步提高。這樣可以使成本大幅度降低。一般而言，質(zhì)量好的壓力傳感器，滿量程輸出都可以達(dá)到100mV/10V.如果只用一半的壓力量程，則對(duì)應(yīng)的輸出便只有50mV/10V.因此最大工作量程應(yīng)盡可能接近產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)上所標(biāo)明的該壓力傳感器的量程級(jí)。
1.3精度
壓力傳感器可用作壓力計(jì)量元件或作敏感元件進(jìn)而進(jìn)行自動(dòng)控制。特別對(duì)前一用途，對(duì)它提出比較高的精度要求。由于用半導(dǎo)體芯片制成的壓力傳感器的精度受溫度的影響，因此應(yīng)注意傳感器的使用溫度范圍。
靜態(tài)精度是指某一特定溫度(室溫25℃)下應(yīng)達(dá)到的精度?？梢苑譃樗臋n：0101-011%FS為超高精度：011-1%FS為高精度：1-2%FS為普通精度；2-10%FS為低精度。
全溫度范圍精度是指壓力傳感器在整個(gè)使用溫度范圍內(nèi)都應(yīng)達(dá)到的精度。同樣可以分為四檔：
0101-011%FS;011-1%FS;1-2%FS;2-10%FS.靜態(tài)精度達(dá)到011-1%FS,也許全溫度范圍精度只夠1-2%FS,甚至只夠2-10%FS.
對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，往往希望壓力傳感器的精度越高越好。但是壓力傳感器達(dá)到高精度時(shí)，必然在制作過(guò)程中增添了許多附加工藝以及?；催^(guò)程和補(bǔ)償技術(shù)，相應(yīng)成本提高了，當(dāng)然其售價(jià)也隨之大幅度增加。因此應(yīng)根據(jù)壓力傳感器實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合和要求，提出合理的精度要求及相應(yīng)的溫度范圍。
1.4電學(xué)要求
一般普通壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，近距離滿量程輸出電壓可達(dá)100-150mV,輸出電流為0-0101mA.遠(yuǎn)距離輸出信號(hào)電壓便會(huì)衰減，應(yīng)采用電流信號(hào)輸出。經(jīng)壓力變送器將電流放大后可以輸出20mA以下的電流信號(hào)。這樣，價(jià)格就成倍增加。
另外，只有經(jīng)過(guò)A/D和V/F變換后才能得到數(shù)字信號(hào)和頻率信號(hào)。
恒流源和恒壓源都是通常傳感器采用的兩種激勵(lì)源。兩種激勵(lì)方法是有區(qū)別的，其作用不同。
恒流源激勵(lì)有利于熱靈敏度漂移的補(bǔ)償作用。
因?yàn)闃虮垭娮杵鞯臏囟认禂?shù)為正，而靈敏度溫度系數(shù)為負(fù)。恒流源激勵(lì)時(shí)的輸出信號(hào)電壓的溫度系數(shù)是兩者的代數(shù)和。而恒壓激勵(lì)不能直接提供靈敏度溫度補(bǔ)償效果。但用恒壓源激勵(lì)時(shí)可在橋外串接熱敏電阻或二極管以補(bǔ)償熱靈敏度漂移。用恒流源激勵(lì)時(shí)，這種靈敏度補(bǔ)償方法便不起作用。可見(jiàn)，恒壓源激勵(lì)和恒流源激勵(lì)相互之間不能隨意互換。
一般精度測(cè)量時(shí)用恒流源激勵(lì)。恒壓源激勵(lì)時(shí)，測(cè)量的精度取決于恒壓源穩(wěn)壓器件的精度。
另外，又可將壓力傳感器的激勵(lì)電源分為正比激勵(lì)和固定激勵(lì)。前者是將壓力傳器電橋直接接到電源上，當(dāng)電源改變時(shí)，壓力傳感器的靈敏度和零點(diǎn)都隨之發(fā)生變化。后者內(nèi)部有一個(gè)參照電壓，壓力傳感器電橋由參照電壓供電激勵(lì)。參考電壓是恒定的，與電源電壓無(wú)關(guān)。只要電源電壓在一指定電壓范圍內(nèi)變化，參照電壓不變。因而傳感器的輸出不變，不受電源電壓的影響。
壓力傳感器可以用電池供電，但更普遍的是采用直流穩(wěn)壓電源技術(shù)。電池供電時(shí)噪聲小，但隨電池使用，供電電壓逐漸降低，特別是當(dāng)傳感器用正比激勵(lì)時(shí)，靈敏度便逐漸減小。這就會(huì)造成讀數(shù)不準(zhǔn)。因此要采用補(bǔ)償辦法(例如壓力傳感器和A/D變換器共用一個(gè)電池供電),或者使用低功耗、小電流的壓力傳感器，長(zhǎng)壽命電池，或者測(cè)量壓力時(shí)接上電源，測(cè)量完畢后，將電池關(guān)閉節(jié)省電能。換上新電池后，壓力傳感器需要重新校準(zhǔn)標(biāo)定。這是因?yàn)椴煌铺?hào)的電池其電動(dòng)勢(shì)、內(nèi)阻都存在一定的差異。壓力傳感器的電橋激勵(lì)電壓的變化會(huì)造成靈敏度的改變。
1.5作業(yè)方式
作業(yè)方式也是需要考慮的重要問(wèn)題。例如傳感器用于氣體壓力的測(cè)量與液體壓力的測(cè)量時(shí)情況便不同。氣體是可壓縮流體，增奪時(shí)會(huì)貯存一定的壓縮能，減壓時(shí)又以動(dòng)能釋放出來(lái)，給傳感器彈性膜施加沖擊波。要求壓力傳感器有較大的過(guò)載能力。液體是不可壓縮流體，在壓力傳感器安裝時(shí)，擰緊螺拴又無(wú)可壓縮空間則可使液體壓力升高超過(guò)彈性膜的耐壓極限，導(dǎo)致彈性膜破裂。由于這種情況屢屢發(fā)生，也要求壓力傳感器有較大的過(guò)壓能力。
壓力傳感器的工作環(huán)境惡劣時(shí)，例如有大的振動(dòng)、沖擊，大的電磁干擾，對(duì)傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不僅過(guò)壓能力強(qiáng)，而且要求機(jī)械密封可靠，防松動(dòng)，傳感器安裝正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽，并將屏蔽良好接地。
此外，應(yīng)考慮壓力傳感器與所測(cè)流體介質(zhì)的相容性問(wèn)題。例如傳感器的彈性膜結(jié)構(gòu)應(yīng)與腐蝕性介質(zhì)相隔開(kāi)，此時(shí)采有不銹鋼波紋套傳感器，傳感器內(nèi)用硅油作傳壓介質(zhì)。傳感器檢測(cè)易燃、易爆介質(zhì)壓力時(shí)，使用小激勵(lì)電流，防止彈性膜破裂時(shí)產(chǎn)生火花、火星，并增加壓力傳感器外套的耐壓能力。
1.6對(duì)溫度的要求
用半導(dǎo)體芯片制備的壓力傳感器的特點(diǎn)是受溫度的影響大，不僅存在熱零點(diǎn)漂移還存在熱靈敏度漂移。溫度明顯影響壓力傳感器的精度。為了消除溫度的影響，就需應(yīng)用各種溫度補(bǔ)償技術(shù)。溫度范圍越寬，補(bǔ)償技術(shù)難度越大，且校準(zhǔn)工作量越大，所能保證的全溫度范圍的精度便越低。為此應(yīng)根據(jù)壓力傳感器所應(yīng)用的實(shí)際溫度范圍和精度要求提出合理的要求。
一般將壓力傳感器的使用溫度范圍分為四類：
普通商業(yè)級(jí)，范圍為-10-60℃；工業(yè)級(jí)，范圍為-25-80℃；軍事級(jí)，范圍為-55-125℃；特殊級(jí)，范圍為-60-350℃。
壓力傳感器在室內(nèi)應(yīng)用時(shí)，可選擇商業(yè)級(jí)；有室外應(yīng)用時(shí)可選擇工業(yè)級(jí)。也可以采取措施使傳感器與環(huán)境熱隔離或進(jìn)行加熱或冷卻，選擇普通商業(yè)級(jí)用在-10℃以下或60℃以上的環(huán)境中。選擇什么溫度范圍還應(yīng)考慮傳感器的電子學(xué)溫度特性和機(jī)械溫度特性。
1.7對(duì)壓力密封的要求
通常用的壓力密封是橡膠墊(或稱O型環(huán))、環(huán)氧樹(shù)脂、聚四氟乙烯墊、錐孔配合、管螺紋配合及焊接等方式。所用的密封材料決定了壓力傳感器的工作溫度范圍。
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