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[分享] 物联网应用之传感器系列—压力传感器

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发表于 2019-9-27 00:55:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
什么是压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

传感器从名称上看重要的是“传”与“感”两个字,传是指数据的传输,感是指数据的感知。实际应用过程中是先有感知,然后是信号的转换,最后传输,传输是目的,转换是手段,感知是基础。
按照国家计量检定规程(JJG 860-2015)所述,压力传感器(Pressure Transducer)的定义是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。
QQ截图20190927005323.jpg
01.
相关术语

> 变送器

变送器与传感器一样在自动控制领域都有着重要作用。变送器是基于传感器基础发展而来的,它是将传感器传输过来的只是“可用”的非标准电信号或其他形式的信号变换成标准电信号,如4-20mA、1-5v,再将标准信号传输至二次仪表。
传感器的输出信号如果是符合一定标准的信号,那该传感器也可称为变送器;变送器可以没有敏感元件,配合上传感器便可发挥作用,如果有敏感元件即可视为传感器。

> 表压
表压是相对于当地大气压为零而言的压力。表压=绝压-当地大气压。

> 绝压
即绝对压力,以绝对真空为标准表示的压力大小。绝压=表压+大气压。

> 表压
两个压力之间的相对差值。

> 大气压
作用在单位面积上的大气压力,即在数值上等于单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱所受到的重力。标准大气压(1atm)相当于高度为760mm水银柱的压力。

02.
化工园区压力传感器应用
压力传感器作为感知终端,是化工企业及园区安全监管获取压力检测数据的来源。需要获取压力数据的场景有很多,其中最重要的应用是对化学品尤其危险化学品在传输、存储、工艺反应等各个环节的监控。
化学品大多是以液体或气体的形式存在,在管网中的传输流动需要压力的作用;液态气体是通过高压将气体液化的,它的运输更加高效,需要保持压力状态来维持;危险化学品在储罐中的存储,可以通过压力的改变监测是否发生泄漏;工艺反应中化学品的投料需要压力的精细化控制确保投料的准确性,某些反应装置的压力状态也需要检测监控,确保装置安全。

03.
压力传感器工作原理
压力传感器的种类繁多,有压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器、电阻应变式压力传感器等。目前应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有廉价且精度高等优点,且有较好的线性特性,何为线性特性?压力的实际输入值与传感器的测量值理想状态下是一致的,但实际情况会有偏差,这个偏差称为非线性误差,线性特性越好测量值的偏差越小。
下面介绍下几种常用传感器的工作原理:
> 压阻式压力传感器
压阻式压力传感器的工作原理是“压阻效应”,所谓压阻效应,是指当半导体受到应力作用时,由于应力引起能带的变化,能谷的能量移动,使其电阻率发生变化的现象,通过电阻率的变化反映出压力值。
QQ截图20190927005335.jpg
压阻式传感器又称为扩散硅压阻式压力传感器,压力直接作用于传感器的膜片上,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,电子线路检测到这一变化后转换输出对应于这一压力的标准信号。

> 电感式压力传感器

电感式压力传感器的工作原理是用电感线圈电感量的变化来体现压力的大小。
QQ截图20190927005345.jpg
常见的电感式压力传感器有气隙式和差动变压器式两种。气隙式是被测压力作用在膜片上使之产生位移,从而造成差动电感线圈的磁路磁阻发生变化,形成电感差动变化,通过电桥输出一个与被测压力相对应的交流电压,气隙式电感压力传感器具有体积小、结构简单等优点,适宜在有振动或冲击的环境中使用;差动变压器式的工作原理是被侧压力作用在弹簧管,使之产生与压力成正比的位移,同时带动连接在弹簧管末端的铁心移动,使两个对称的反向串接的次级绕组失去平衡,输出一个与被测压力成正比的电压。

> 电容式压力传感器

电容式压力传感器工作原理是利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它具有输入能量低、高动态响应、自然效应小、环境适应性好等特点。
QQ截图20190927005355.jpg
电容式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。

> 电压式压力传感器
压电式压力传感器工作原理多数基于正压电效应,所谓压电效应是指当介质受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在两个表面上产生符号相反的电荷;当外力撤去后,晶体又恢复到不带电的状态;当外力作用方向改变时,电荷的极性也随之改变;介质受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
QQ截图20190927005407.jpg
压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成,压电元件支撑于本体上,由膜片将被测压力传递给压电元件,再由压电元件输出能反应被测压力大小的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。

04.
压力传感器选型

根据不同的应用场景和需求,我们对传感器的选型应体现实用性和经济性,可以从其压力类型、量程范围、测量介质、精度、适用温度范围等要求为选型技术参数。

> 确认测量压力类型
压力传感器分为测定绝压、表压和差压。测量绝压时,所测压力与大气压力无关,是相对于真空的压力;表压以大气压力为参考压的,所以传感器弹性膜一侧始终是与大气连通的;差压是从传感器弹性膜两侧分别导入流体压力,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类型的压力传感器。
> 确认压力传感器的量程范围
我们都知道在初中物理课程中出现的弹簧秤是不能称过重的物体的,也就是不能超过它的量程范围,因为会导致弹簧变形而不能再使用。对于压力传感器是一样的道理,一般我们需要选择一个具有比实际测量最大值还要大1.5倍左右压力量程的传感器。在许多测量环境中,有峰值或持续不规则的压力上下波动,如果这些力不在量程范围内,很可能破坏压力传感器或缩短传感器的寿命。
> 确认压力传感器的测量介质
有些测量介质会带有渗透性、腐蚀性等特性,会影响和破坏压力传感器,所以在传感器选型时需考虑它的密封性和耐腐蚀性。比如原油这样的黏性液体需防止其沉淀物堵住压力接口,需要采用带隔离膜的平膜结构传感器,防止与介质直接接触,同时也要选取与这些介质兼容的材质做隔离膜片,否则会影响产品的使用寿命。

> 确认压力传感器的精度
传感器的精度要求一般都与经济性挂钩,因为精度越高,必然在制作过程中增添了许多高端工艺以及校淮过程和补偿技术,相应成本提高了,价格也会提高。所以,我们在选用产品时不能只单纯地追求高精度,而应该根据实际测量的需求进行合理地选择。
> 确认压力传感器的适用温度范围
压力传感器的适用温度范围与测量值的精准度挂钩,因为压力传感器的敏感元件存在热零点漂移和热灵敏度漂移,所以应根据压力传感器的实际应用环境温度范围和测量值精度要求做合理选型。
压力传感器都会标定“工作温度范围”和“补偿温度范围”两个技术参数,补偿温度范围的数值会比工作温度范围小,比如某压力传感器的补偿温度范围为-20~80℃,工作温度范围为-20~150℃,表示该压力传感器在-20~80℃时肯定能达到应有的性能指标,处于-80~120℃时传感器能正常工作而不会被破坏,但不一定能达到该有的性能指标,当超出120℃或低于-20℃时,传感器可能会被破坏。

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