压阻式压力传感器(压阻式压力传感器是基于什么效应工作的)

海潮机械 2023-01-03 17:19 编辑:admin 220阅读

1. 压阻式压力传感器是基于什么效应工作的

压力传感器的内部有着进空气气管和真空管,进气管主要负责空气的进入,当空气进入到传感器的内部的时候,就会对真空管产生压力,而压力的大小会随着空气的进入量的不断增加而变大,而真空管的另一边安装有压敏式电阻,压敏式电阻是一种能够基于压力的大小而不断变更地电阻大小的变阻器。而电阻的大小变化能够对电路中的电流的大小产生影响,从而发出不同的电信号,对电路产生不同的控制效果。这就是空气压力传感器的工作原理。

  空气压力传感器的应用是什么?

  1.应用于液压系统

  压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。当控制阀芯突然移动时,在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。

  2.应用于安全控制系统

  压力传感器在安全控制系统中经常应用,主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。

  在安全控制领域有很多传感器应用,压力传感器作为一种非常常见的传感器,在安全控制系统中应用也不足为奇。 在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑,从价格上的考虑,还有从实际操作的安全性方便性来考虑,实际证明选择压力传感器的效果非常好。

  压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。

  所以体积小也是它的优点之一,除此之外,价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。

  在安全控制系统中,通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力,这算是一定的保护措施,也是非常有效的控制系统。

  当压缩机正常启动后,如果压力值未达到上限,那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。

  3.应用于注塑模具

  压力传感器在注塑模具中有着重要的作用。压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内,它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。

  4.应用于监测矿山压力

  传感器技术作为矿山压力监控的关键性技术之一。一方面,我们应该正确应用已有的各种传感器来为采矿行业服务;

  另一方面,作为传感器厂家还要研制和开发新型压力传感器来适应更多的采矿行业应用。

  压力传感器有多种,而基于矿山压力监测的特殊环境,矿用压力传感器主要有:振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、差动变压器式压力传感器等。

2. 压阻式压力传感器是基于什么效应工作的工作原理

一、压电压力传感器

压电式压力传感器主要基于压电效应(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,比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感器不可以应用在静态的测量当中,原因是受到外力作用后的电荷,当回路有无限大的输入抗阻的时候,才可以得以保存下来。但是实际上并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主要的压电材料是:磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在石英上发现的。

二、压阻压力传感器

压阻压力传感器主要基于压阻效应(Piezoresistive effect)。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。不同于上述压电效应,压阻效应只产生阻抗变化,并不会产生电荷。

三、电容式压力传感器

电容式压力传感器是一种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。

四、电磁压力传感器

多种利用电磁原理的传感器统称,主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。

霍尔压力传感器

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。

3. 压阻式传感器的工作原理是压阻效应,什么是压阻效应呢?

压阻效应

压阻效应是指材料在外力的作用下引起电阻率的改变。压阻系数( )定义如下: 其中 是原始半导体样品的电阻 , 表示电阻的改变, 是外加应力。 与 的比率可以如下表示:

公式(2)等号右侧的前三项描述样品在应力诱导下的几何尺寸改变,最后一项是电阻率对于应力的依赖项。对于大部分的半导体,压力诱导的电阻率的改变是几何尺寸诱导的电阻率变化的几个数量级大。因此,压力诱导的电阻率的变化主要是由压阻因子决定的。

通常条件下,电阻率 是是二阶张量,应力 也是二阶张量。电阻率的改变 与应力通过一个四阶张量,压阻张量 联系起来。在线性区域,有如下关系: 求和遍历 。

沿着讲应力的思路,将写成矢量的形式 ,其中 。我们可以将公式(3)改写为

其中 是一个 的矩阵。对于立方结构,由于对称性,只有三个独立的元素

这三个独立的系数, 描述了在沿着晶体主轴外力作用下晶体主轴对应的压阻效应, 描述了在沿着垂直晶体主轴外力作用下晶体主轴对应的压阻效应, 描述了平面内的剪切应力诱导产生的平面内电流发生改变,最终导致平面外电场变化的压阻效应。

压电效应

不同于压阻效应,压电效应来源于应力诱导的无中心反演对称的晶体中电荷的极化。因此,压电效应在Si,Ge等金刚石结构元素半导体中并不存在。闪锌矿半导体是拥有这类特性的最简单的半导体结构。极化与应力通过压电张量 联系起来:

其中 是极化矢量, 是包含六个分量的应变矢量。因此,压电张量是一个 的矩阵。对于闪锌矿半导体,压电张量只有一个非零元素, 。应变诱导的极化如下:

对于闪锌矿的半导体,例如沿着[001]方向生长的GaAs,双轴应力不会产生压电效应。压电效应沿着[111]轴最大。这是由于阳离子和阴离子沿着[111]堆叠排列,沿着[111]方向的应力会改变阳离子和阴离子之间的距离。GaAs的压电常数可以由测量或者理论计算得到,目前被大家广泛接受的是 。

另一方面,外加的电场施加到这些压电材料也会引起应变的产生。压电应变张量 和压电张量有着相同的形式。对于闪锌矿半导体,唯一的非零元素 ,与 的关系如下

对于GaAs, 普遍接受的数值为 。

对于III-V族半导体, 和的符号是负的。如果晶体沿着[111]方向拉伸,阳离子面带负电。这是不同于II-VI族半导体的。

对于其他的缺少中心反演对称的半导体,压电张量会有更多的非零元素。在纤锌矿半导体,例如GaN,有三个非零元素: 和 。在这类半导体中,压电效应会在电子输运方面扮演着重要角色。在AlGaN/GaN异质结中,即使在不掺杂的情况下,自发极化和压电效应可以诱导出非常多的电子。在沿着[111]方向生长的GaAs/InGaAs超晶格,压电效应可以导致能带弯曲,这可以极大的改变势场形貌,从而影响电荷分布和输运性质。

有关半导体中应力的基础到这就全部讲完了。这些内容是我们后续深入讨论应力对光电性质影响的基础。应力调控在半导体中有着深远的影响。对于我们半导体工业中常用的Si-Ge金刚石结构,III-V族和II-VI族这三类半导体,应力的表现形式又有所不同。这会导致完全不相同的现象。

4. 压阻式压力传感器输入与输出的关系

压阻式传感器是在圆形硅膜片上扩散出四个电阻,这四个电阻接成惠斯登电桥。假设四个扩散电阻的起始电阻都相等且为R,当有应力作用时,两个电阻的阻值增加,增加量为ΔR,两个电阻的阻值减小,减小量为ΔR;另外由于温度影响,使每个电阻都有ΔRT的变化量。若电桥的供桥电压为U,则它的输出电压为:

式中:πL-压阻系数;E-电阻半导体材料的弹性模量;S=πL·E-传感器的灵敏度。

5. 压阻式传感器是基于压阻效应

压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。采用单晶硅片为弹性元件,在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺,在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻,并将电阻接成桥路,单晶硅片置于传感器腔内。

当压力发生变化时,单晶硅产生应变,使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化,再由桥式电路获相应的电压输出信号。

6. 何谓压阻效应?如何应用于压力式传感器中?

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压电式压力传感器:

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。

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陶瓷压力传感器:

陶瓷压力传感器基于压阻效应,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,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2.0/3.0/3.3mv/v等,可以和应变式传感器相兼容。

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扩散硅压力传感器:

扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,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,利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。

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蓝宝石压力传感器:

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特性。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。

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压阻式力传感器:

电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一,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。

压力传感器的使用方法

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压力传感器使用过程中的要点、变送器在工艺管道上正确的安装位置与被测介质有关,掌握压力传感器的正确使用方法,才能获得最佳的测量果!

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防止变送器与腐蚀性或过热的介质接触;

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防止渣滓在导管内沉积;

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测量液体压力时,取压口应开在流程管道侧面,以避免沉淀积渣;

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测量气体压力时,取压口应开在流程管道顶端,并且变送器也应安装在流程管道上部,以便积累的液体容易注入流程管道中;

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导压管应安装在温度波动小的地方;

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测量蒸汽或其它高温介质时,需接加缓冲管(盘管)等冷凝器,不应使变送器的工作温度超过极限

7. 压电式传感器的工作原理为压阻效应

最为常用的一种传感器,一般普通压力传感器的输出为模拟信号,模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号。 或在一段连续的时间间隔内,其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。而我们通常使用的压力传感器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。

除了压电传感器之外,还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器,利用应变效应的应变式传感器等,这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料,在不同的场合能够发挥它们独特的用途。