壓力傳感器介紹、壓力傳感器常見故障分析、壓力傳感器選型方法

近年來，我國壓力傳感技術正在蓬勃發展，應用領域也在迅速擴大，由于壓力傳感器技術所涉及的技術廣泛，如今廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、智能建築、生産自控、鐵路交通、航空航天、石化、油井、電力、軍工、機床、管道等衆多行業。在購買壓力傳感器之前，我們需要對它有一個深入的了解,下面給大家對壓力傳感器做一下簡單的介紹。

壓力傳感器分類
一、壓電壓力傳感器
壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應（Piezoelectric effect），利用電氣元件和其他機械把待測的壓力轉換成爲電量，再進行相關測量工作的測量精密儀器，比如很多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不可以應用在靜态的測量當中，原因是受到外力作用後的電荷，當回路有無限大的輸入抗阻的時候，才可以得以保存下來。但是實際上并不是這樣的。因此壓電傳感器隻可以應用在動态的測量當中。它主要的壓電材料是：磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應就是在石英上發現的。

二、壓阻壓力傳感器
壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應（Piezoresistive effect）。壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所産生的電阻變化。不同于上述壓電效應，壓阻效應隻産生阻抗變化，并不會産生電荷。大多數金屬材料與半導體材料都被發現具有壓阻效應。其中半導體材料中的壓阻效應遠大于金屬。由于矽是現今集成電路的主要，以矽制作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。矽的電阻變化不單是來自與應力有關的幾何形變，而且也來自材料本身與應力相關的電阻，這使得其程度因子大于金屬數百倍之多。N型矽的電阻變化主要是由于其三個導帶谷對的位移所造成不同遷移率的導帶谷間的載子重新分布，進而使得電子在不同流動方向上的遷移率發生改變。其次是由于來自與導帶谷形狀的改變相關的等效質量(effective mass)的變化。在P型矽中，此現象變得更複雜，而且也導緻等效質量改變及電洞轉換。

三、電容式壓力傳感器
電容式壓力傳感器是一種利用電容作爲敏感元件，将被測壓力轉換成電容值改變的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作爲電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信号。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分爲單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。

四、電磁壓力傳感器
主要包括電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、電渦流壓力傳感器等。
1、電感壓力傳感器
①電感式壓力傳感器是由于磁性材料和磁導率不同，當壓力作用于膜片時，氣隙大小發生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信号輸出，從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分爲兩種：變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量範圍大；缺點就是不能應用于高頻動态環境。


②變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個磁路。當有壓力作用時，氣隙大小改變，即磁阻發生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會随着氣隙的變化而變化，從而測出壓力。

③在磁通密度高的場合，鐵磁材料的導磁率不穩定，這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導緻磁性元件的移動，從而磁導率發生改變，由此得出壓力值。
2、霍爾壓力傳感器
①霍爾壓力傳感器是基于某些半導體材料的霍爾效應制成的。霍爾效應是指當固體導體放置在一個磁場内，且有電流通過時，導體内的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而産生電壓（霍爾電壓）的現象。電壓所引緻的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可證實導體内部的電流是由帶有負電荷的粒子（自由電子）之運動所造成。
②在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導線中的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上産生一個電場，此電場将會使後來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得後來的電子能順利通過不會偏移，此稱爲霍爾效應。而産生的内建電壓稱爲霍爾電壓。
③當磁場爲一交變磁場時，霍爾電動勢也爲同頻率的交變電動勢，建立霍爾電動勢的時間極短，故其響應頻率高。理想霍爾元件的材料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率，以便獲得較大的霍爾電動勢。常用霍爾元件的材料大都是半導體，包括N型矽(Si)、銻化铟(InSb)、砷化铟InAs)、鍺(Ge)、砷化镓GaAs)及多層半導體質結構材料，N型矽的霍爾系數、溫度穩定性和線性度均較好，砷化镓溫漂小，目前應用。
3、電渦流壓力傳感器
基于電渦流效應的壓力傳感器。電渦流效應是由一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所産生。簡而言之，就是電磁感應效應所造成。這個動作産生了一個在導體内循環的電流。電渦流特性使電渦流檢測具有零頻率響應等特性，因此電渦流壓力傳感器可用于靜态力的檢測。
五、振弦式壓力傳感器
振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器，這種頻率測量具有想當高的準确度，因爲時間和頻率是能準确測量的物理量參數，而且頻率信号在傳輸過程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時，振弦式壓力傳感器還具有較強的抗幹擾能力，零點漂移小、溫度特性好、結構簡單、分辨率高、性能穩定，便于數據傳輸、處理和存儲，容易實現儀表數字化，所以振弦式壓力傳感器也可以作爲傳感技術發展的方向之一。

振弦式壓力傳感器的敏感元件是拉緊的鋼弦，敏感元件的固有頻率與拉緊力的大小有關。弦的長度是固定的，弦的振動頻率變化量可用來測算拉力的大小，即輸入是力信号，輸出的是頻率信号。振弦式壓力傳感器分爲上下兩個部分組成，下部構件主要是敏感元件組合體。上部構件是鋁殼，包含一個電子模塊和一個接線端子，分成兩個小室放置，這樣在接線時就不會影響電子模塊室的密封性。

壓力傳感器常見的四種故障
第一種是壓力上去，傳感器輸也上不去。此種情況，先應檢查壓力接口是否漏氣或者被堵住，如果确認不是，檢查接線方式和檢查電源，如電源正常則進行簡單加壓看輸出是否變化，或者察看傳感器零位是否有輸出，若無變化則傳感器已損壞，可能是儀表損壞或者整個系統的其他環節的問題。
第二種是加壓傳感器輸出不變化，再加壓傳感器輸出突然變化，洩壓傳感器零位回不去，很有可能是壓力傳感器密封圈的問題。常見的是由于密封圈規格原因，傳感器擰緊之後密封圈被壓縮到傳感器引壓口裏面堵塞傳感器，加壓時壓力介質進不去，但在壓力大時突然沖開密封圈，壓力傳感器受到壓力而變化。排除這種故障的最佳方法是将傳感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更換密封圈再試。
第三種是傳感器輸出信号不穩。這種故障有可能是壓力源的問題。壓力源本身是一個不穩定的壓力，很有可能是儀表或壓力傳感器抗幹擾能力不強、傳感器本身振動很厲害和傳感器故障；

第四種是傳感器與指針式壓力表對照偏差大。出現偏差是正常的現象，确認正常的偏差範圍即可；
最後一種易出現的故障是微差壓變送器安裝位置對零位輸出的影響。微差壓變送器由于其測量範圍很小，變送器中傳感元件會影響到微差壓變送器的輸出。安裝時應使變送器的壓力敏感件軸向垂直于重力方向，安裝固定後調整變送器零位到标準值。

壓力傳感器無法避免的誤差
1、偏移量誤差
由于壓力傳感器在整個壓力範圍内垂直偏移保持恒定，因此變換器擴散和激光調節修正的變化将産生偏移量誤差。
2、靈敏度誤差
産生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差将是壓力的遞增函數。如果靈敏度低于典型值，那麽靈敏度誤差将是壓力的遞減函數。該誤差的産生原因在于擴散過程的變化。
3、線性誤差
這是一個對壓力傳感器初始誤差影響較小的因素，該誤差的産生原因在于矽片的物理非線性，但對于帶放大器的傳感器，還應包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線，也可以是凸形曲線。
4、滞後誤差
在大多數情形中，壓力傳感器的滞後誤差完全可以忽略不計，因爲矽片具有很高的機械剛度。一般隻需在壓力變化很大的情形中考慮滞後誤差。

壓力傳感器的抗幹擾措施
1、保持穩定度
大部分傳感器在經過超時工作後會産生“漂移”，因此很有必要在購買前了解傳感器的穩定度，這種預先的工作能減少将來使用中會出現的種種麻煩。
2、壓力傳感器的封裝
傳感器的封裝，尤其往往容易忽略是它的機架，然而這一點在以後使用中會逐漸暴露出其缺點。在選購傳送器傳一定要考慮到将來傳感器的工作環境，濕度如何，怎樣安裝傳感器，會不會有強烈撞擊或振動等。
3、選擇輸出信号
壓力傳感器需要得到怎樣的輸出信号：mV、V、mA及頻率輸出數字輸出，取決于多種因素，包括傳感器與系統控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子幹擾信号。是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多傳感器和控制器間距離較短的OEM設備，采用mA輸出的傳感器最爲經濟而有效的解決方法，如果需要将輸出信号放大，最好采用具有内置放大的傳感器。對于遠距離傳輸出或存在較強的電子幹擾信号，最好采用mA級輸出或頻率輸出。
如果在RFI或EMI指标很高的環境中，除了要注意到要選擇mA或頻率輸出外，還要考慮到特殊的保護或過濾器。(目前由于各種采集的需要，現在市場上壓力傳感器的輸出信号有很多種，主要有4-20mA，0-20mA，0-10V，0-5V等等，在上面舉例的這些輸出信号中，隻有4-20mA爲兩線制，我們所說的輸出爲幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均爲三線制)。
4、選擇勵磁電壓
輸出信号的類型決定選擇怎麽樣的勵磁電壓。許多放大傳感器有内置的電壓調節裝置，因此其電源電壓範圍較大。有些奕送器是定量配置，需要一個穩定的工作電壓，因此，能夠得到的一個工作電壓決定是否采用帶有調節器的傳感器，選擇傳送器時要綜合考慮工作電壓與系統造價。
5、是否需要具備互換性的傳感器
确定所需的傳感器是否能夠适應多個使用系統，尤其是對于OEM産品。一旦将産品送到客戶手中，那麽客戶用來校準的花銷是相當大的。如果産品具有良好的互換性，那麽即使是改變所用的傳感器，也不會影響整個系統的效果。另外，我們确定上面的一些參數之後還要确認你的壓力傳感器的過程連接接口以及壓力傳感器的供電電壓，如果在特殊的場合下使用還要考慮防爆以及防護等級。

壓力傳感器選型注意事項
1、确認壓力測量的類型即要測的是表壓、絕壓還是差壓。表壓是指以大氣壓爲零點的壓力值，可以有正負值，高于大氣壓的爲正，低于大氣壓的爲負。絕差是指以絕對真空爲零點的壓力值，絕壓隻有正值，沒有負值。差壓是指兩個壓力之間的差值。絕壓測量是将一個參考的壓力封閉在傳感器的芯片之中，通常這個壓力的大小隻有真空（小于5mtor）和标準大氣壓（14.7psi）兩種，參考壓力爲真空的傳感器我們稱爲絕壓傳感器，爲一個标準大氣壓的傳感器我們稱爲密封表壓傳感器。因爲所有的傳感器都是測量加在傳感器兩面膜片上的壓力差，但是差壓傳感器的壓力參考端的壓力是可以變化的。因此表壓傳感器（參考端通過一個小孔可以接通大氣）僅是一種普通形式的差壓傳感器。
2、确認被測的介質，是氣體還是液體，被測介質有沒有腐蝕性，如果測的是液體，你需不需要把傳感器投入液體中。
3、确認測量的壓力範圍。
4、确認準确度等級（精度）。壓力傳感器的測量誤差按精度等級進行劃分，不同的精度等級對對應不同的基本誤差限，以F.S%表示。市面上一般精度等級有0.1、0.25、0.3、0.5、1.0等幾種，選型時可按照所需的準确度進行選擇。
5、确認工作溫度範圍。被測介質的溫度應處于壓力傳感器的工作範圍以内，否則測量結果誤差将會較大且會影響傳感器的壽命。如被測介質溫度較高，可使用高溫壓力傳感器，或者安裝冷疑管降溫等。
6、确認壓力的接口。壓力接口即你所需要的螺紋接口，M20*1.5、G1/4、NPT1/4等爲通用接口，其它螺紋接口可定制。
7、确認輸出信号。輸出信号一般爲0～24mADC，0～5VDC，0.5~4.5VDC，1～5VDC，0～10VDC等。
8、确認供電電壓。
9、确認工作環境。是否存在振動或者電磁幹擾等
10、确認電氣連接方式等。即壓力傳感器信号輸出到什麽上面，是PLC或者其它。

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