求：压力传感器的基本工作原理、应用 和设计 方面的资料

1. 求：压力传感器的基本工作原理、应用 和设计 方面的资料

压力变送器上海蒙晖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。下面就简单介绍一些常用压力变送器的原理及其应用、压力变送器是用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mA DC信号输出。
压力变送器主要有电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。压力变送器根据测压范围可分成一般压力变送器（0.001MPa～35MPa）和微差压变送器（0～1.5kPa），负压变送器三种。
压力变送器的主要作用把压力信号传到电子设备，进而在计算机显示压力其原理大致是：将水压这种压力的力学信号转变成电流（4-20mA）这样的电子信号压力和电压或电流大小成线性关系，一般是正比关系。所以，变送器输出的电压或电流随压力增大而增大由此得出一个压力和电压或电流的关系式压力变送器的被测介质的两种压力通入高、低两压力室，低压室压力采用大气压或真空，作用在δ元（即敏感元件）的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液传送到测量膜片两侧。
压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，通过振荡和解调环节。

主要优点
1、压力变送器具有工作可靠、性能稳定等特点；

2、专用V/I集成电路，外围器件少，可靠性高，维护简单、轻松，体积小、重量轻，安装调试极为方便；
3、铝合金压铸外壳，三端隔离，静电喷塑保护层，坚固耐用；
4、4-20mA DC二线制信号传送，抗干扰能力强，传输距离远；
5、LED、LCD、指针三种指示表头，现场读数十分方便。可用于测量粘稠、结晶和腐蚀性介质；
6、高准确度，高稳定性。除进口原装传感器已用激光修正外，对整机在使用温度范围内的综合性温度漂移、非线性进行精细补偿。

主要分类
1、普通压力变送器
2、防爆压力变送器
3、差压变送器
4、中、高温压力变送器
5、远传压力变送器

工作原理
当压力直接作用在测量膜片的表面，使膜片产生微小的形变，测量膜片上的高精度电路将这个微小的形变变换成为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，然后采用专用芯片将这个电压信号转换为工业标准的4-20mA电流信号或者1-5V电压信号。
由于测量膜片采用标准话集成电路，内部包含线性及温度补偿电路，所以可以做到高精度和高稳定性，变送电路采用专用的两线制芯片，可以保证输出两线制4-20mA电流信号。

主要性能
1、使用被测介质广泛，可测油、水及与316不锈钢和304不锈钢兼容的糊状物，具有一定的防腐能力；
2、高准确度、高稳定性、选用进口原装传感器，线性好，温度稳定性高；
3、体积小、重量轻、安装、调试、使用方便；
4、不锈钢全封闭外壳，防水好；
5、压力传感器直接感测被测液位压力，不受介质起泡、沉积的影响。

选型规则
1、变送器要测量什么样的压力：先确定系统中要确认测量压力的最大值，一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在很多系统，特别是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，然而，由于这样做会精度下降。于是，可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时，要充分考虑压力范围，精度与其稳定性。
2、什么样的压力介质：要考虑的是压力变送器所测量的介质，黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送器中与这些介质直接接触的材料。一般的压力变送器的接触介质部分的材质采用的是316不锈钢，如果介质对316不锈钢没有腐蚀性，那么基本上所有的压力变送器都适合对介质压力的测量；如果介质对316不锈钢有腐蚀性，那么就要采用化学密封，这样不但起到可以测量介质的压力，也可以有效的阻止介质与压力变送器的接液部分的接触，从而起到保护压力变送器，延长了压力变送器的寿命.
3、变送器需要多大的精度：决定精度的有：非线性、迟滞性、非重复性、温度、零点偏置刻度、温度的影响，精度越高，价格也就越高。每一种电子式的测量计都会有精度误差，但是由于各个国家所标的精度等级是不一样的。
4、变送器的温度范围：通常一个变送器会标定两个温度范围，即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。正常操作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补范围时，可能会达不到其应用的性能指标。温度补偿范围是一个比操作温度范围小的典型范围。在这个范围内工作，变送器肯定会达到其应有的性能指标。温度变从两方面影响着其输出，一是零点漂移；二是影响满量程输出。如：满量程的+/-X%/℃，读数的+/-X%/℃，在超出温度范围时满量程的+/-X%，在温度补偿范围内时读数的+/-X%，如果没有这些参数，会导至在使用中的不确定性。变送器输出的变化到度是由压力变化引起的，还是由温度变化引起的。
5、需要得到怎样的输出信号：mV、V、mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号。是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM设备，采用mA输出的变送器最为经济而有效的解决方法，如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输出或存在较强的电子干扰信号，最好采用mA级输出或频率输出。如果在RFI或EMI指标很高的环境中，除了要注意到要选择mA或频率输出外，还要考虑到特殊的保护或过滤器。
6、选择怎样的励磁电压：输出信号的类型决定选择怎么样的励磁电压。许多放大变送器有内置的电压调节装置，能够得到的一个工作电压决定是否采用带有调节器的传感器，选择传送器时要综合考虑工作电压与系统造价。
7、是否需要具备互换性的变送器：确定所需的变送器是否能够适应多个使用系统。一般来讲，这一点很重要。尤其是对于OEM产品，一旦将产品送到客户手中，那么客户用来校准的花销是相当大的。如果产品具有良好的互换性，那么即使是改变所用的变送器，也不会影响整个系统的效果。
8、变送器超时工作后需要保持稳定度：大部分变送器在经过超时工作后会产生“漂移”，因此很有必要在购买前了解变送器的稳定度，这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。
9、变送器的封装：变送器的封装，尤其往往容易忽略是它的机架，然而这一点在以后使用中会逐渐暴露出其缺点。在选购传送器传一定要考虑到将来变送器的工作环境，湿度如何，怎样安装变送器，会不会有强烈的撞击或振动等。
10、在变送器与其它电子设备间采用怎样的连接：是否需要采用短距离连接，若是采用长距离连接，是否需要采用一个连接器。

安装说明
在安装使用压力变送器前应详细阅读产品样本及使用说明书，安装时压力接口不能泄露，确保量程及接线正确。压力传感器及变送器的外壳一般需接地，信号电缆线不得与动力电缆混合铺设，传感器及变送器周围应避免有强电磁干扰。

使用说明
日常维护
1、检查安装孔的尺寸：如果安装孔的尺寸不合适，传感器在安装过程中，其螺纹部分就很容易受到磨损。这不仅会影响设备的密封性能，而且使压力传感器不能充分发挥作用，甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损（螺纹工业标准1/2-20 UNF 2B），通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测，以做出适当的调整。
2、保持安装孔的清洁：保持安装孔的清洁并防止熔料堵塞对保证设备的正常运行来说十分重要。在挤出机被清洁之前，所有的压力传感器都应该从机筒上拆除以避免损坏。在拆除传感器时，熔料有可能流入到安装孔中并硬化，如果这些残余的熔料没有被去除，当再次安装传感器时就可能造成其顶部受损。清洁工具包能够将这些熔料残余物去除。然而，重复的清洁过程有可能加深安装孔对传感器造成的损坏。如果这种情况发生，就应当采取措施来升高传感器在安装孔中的位置。
3、选择恰当的位置：当压力传感器的安装位置太靠近生产线的上游时，未熔融的物料可能会磨损传感器的顶部；如果传感器被安装在太靠后的位置，在传感器和螺杆行程之间可能会产生熔融物料的停滞区，熔料在那里有可能产生降解，压力信号也可能传递失真；如果传感器过于深入机筒，螺杆有可能在旋转过程中触碰到传感器的顶部而造成其损坏。一般来说，传感器可以位于滤网前面的机筒上、熔体泵的前后或者模具中。
4、仔细清洁；在使用钢丝刷或者特殊化合物对挤出机机筒进行清洁前，应该将所有的传感器都拆卸下来。因为这两种清洁方式都可能会造成传感器的震动膜受损。当机筒被加热时，也应该将传感器拆卸下来并使用不会产生磨损的软布来擦拭其顶部，同时传感器的孔洞也需要用清洁的钻孔机和导套清理干净。

正确使用
蒙晖压力传感器使用过程应注意考虑下列情况：
1、防止变送器与腐蚀性或过热的介质接触；
2、防止渣滓在导管内沉积；
3、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；
4、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；
5、导压管应安装在温度波动小的地方；
6、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、冬季发生冰冻时，安装在室外的变送器必需采取防冻措施，避免引压口内的液体因结冰体积膨胀，导至传感器损坏；
8、测量液体压力时，变送器的安装位置应避免液体的冲击（水锤现象），以免传感器过压损坏；
9、接线时，将电缆穿过防水接头（附件）或绕性管并拧紧密封螺帽，以防雨水等通过电缆渗漏进变送器壳体内。

发展历史
压力变送器上海蒙晖是许多工业设备中用以控制工业过程和压力变化的重要原件。压力变送器用于测量液体、气体或蒸汽的液位、密度和压力，然后将压力信号转变成4～20mADC信号输出。压力变送器分电容式压力变送器和扩散硅压力变送器，陶瓷压力变送器，应变式压力变送器等。
压力变送器是直接与被测介质相接触的现场仪表，常常在高温低温腐蚀振动冲击等环境中工作。在石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制中应用非常广泛。
压力变送器的发展大体经历了四个阶段：
1、早期压力变送器采用大位移式工作原理，如曾大量生产的水银浮子式差压计及膜盒式差压变送器，这些变送器精度低且笨重。
2、20世纪50年代有了精度稍高的力平衡式差压变送器，但反馈力小，结构复杂，可靠性、稳定性和抗振性均较差。
3、70年代中期，随着新工艺、新材料、新技术的出现，尤其是电子技术的迅猛发展出现体积小巧、结构简单的位移式变送器。
4、90年代科学技术迅猛发展，这些变送器测量精度高而且逐渐向智能化发展数字信号传输更有利于数据采集。
压力变送器发展至今已有电容式变送器、扩散硅压阻式变送器、差动电感式变送器和陶瓷电容式变送器等不同类型。
20世纪90年代，现场总线技术迅速崛起，工业过程控制系统逐渐向具有双向通信和智能仪表控制的现场总线控制系统方向发展。从而产生了新一代的智能压力变送器。它们的主要特点如下。
1、自补偿功能如非线性、温度误差、响应时间、噪声和交叉感应等。
2、自诊断功能如在接通电源时进行自检,在工作中实现运行检查。
3、微处理器和基本传感器之间具有双向通信的功能构成闭环工作系统。
4、信息存储和记忆功能。
5、数字量输出。
基于上述功能,智能压力变送器的精度、稳定性、重复性和可靠性都得到提高和改善。其双向通信能力实现了计算机软件控制及远程设定量程等状态。
智能型压力变送器主要分为带协HART协议的和带482或RS232接口的两种类型。带HART协议的智能压力变送器是在模拟信号上迭加一个专用频率信号,实现模拟和数字同时进行通信。带RS232或485口的智能压力变送器内部将模拟信号A/D转换通过微处理器计算由D/A输出。

发展趋势
当今世界各国压力变送器的研究领域十分广泛，几乎渗透到了各个行业，但归纳起来主要有以下几个趋势：
1、智能化：由于集成化的出现,在集成电路中可添加一些微处理器,使得变送器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。
2、集成化：压力变送器已经越来越多的与其它测量用变送器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。
3、小型化：市场对小型压力变送器的需求越来越大，这种小型变送器可以工作在极端恶劣的环境下，并且只需要很少的保养和维护，对周围的环境影响也很小，可以放置在人体的各个重要器官中收集资料，不影响人的正常生活。
4、标准化：变送器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。
5、广泛化：压力变送器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展，例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。

2. 压力传感器的工作原理及应用研究

压力传感器工作原理

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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

    1 、应变片压力传感器原理与应用

    力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

    在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。

    金属电阻应变片的内部结构




如图1 所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

    电阻应变片的工作原理

    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。金属导体的电阻值可用下式表示：

    式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ）

    S ——导体的截面积（cm2 ）

    L ——导体的长度（m ）

    我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得
应变金属丝的应变情

    2 、陶瓷压力传感器原理及应用

    抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，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（闭桥），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 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

    陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

    3 、扩散硅压力传感器原理及应用

    工作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，和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。


原理图

    4 、蓝宝石压力传感器原理与应用


  

    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。

    蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），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，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

    用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

    表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

    传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

    5 、压电压力传感器原理与应用

    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。

    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泛