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压力传感器是什么?压电式压力传感器的原理


发布日期:[2018-09-05]    作者:昊明


  压力传感器是一种装有压敏元件的装置, 用于测量气体或液体对由不锈钢、硅等制成的隔膜的压力, 并将测量值转换为输入电信号作为输出。压力是由表面上的液体或气体的定义为施加的力,它通常是每单位表面积的力的测量单位。常见的单位是Pascal(PA)、公斤(KG)、巴(bar),N / mm2或PSI(磅每平方英寸)。

  压力传感器的使用非常广泛:例如直接用作各种压力的测定:气压、水压、液压(包括水压);汽车、某些高档摩托车以及几乎所有内燃机里都有压力传感器的使用;各种液位测定的现场表计大多也是压力传感器;大多数电子称量称、汽车衡的称重信号来源也是压力传感器,航空、航天中加速度测量也使用压力传感器等等。一般压力传感器测量压力输出是mV级别的模拟电压信号,需要就近送入放大器环节做放大。现在基本上放大器已经和传感器合为一体,称为压力变送器,变送器输出0--10V的电压信号或者4--20mA的电流信号等。

压力传感器的用途

  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。我们知道,晶体是各向异性的,非晶体是各向同性的。某些晶体介质,当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时,就产生了极化效应;当机械力撤掉之后,又会重新回到不带电的状态,也就是受到压力的时候,某些晶体可能产生出电的效应,这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

 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高的湿度,所以已经得到了广泛的应用。在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、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

 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。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力。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器制成的,因为测量动态压力是如此普遍,所以压电传感器的应用就非常广。

  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。

压电式压力传感器