压阻式压力传感器组成、优缺点及工作原理

文/ 发布于2018-02-06 浏览次数:5742

  压阻式压力传感器是一种常用的压力传感器产品,利用单晶硅的压阻效应而构成,又称扩散硅压力传感器。具有精度高、工作可靠、频率响应高、迟滞小、尺寸小、重量轻、结构简单、便于实现显示数字化等特点,而且可以测量压力,稍加改变,还可以测量差压、高度、速度、加速度等参数。今天小编就来为大家说说压阻式压力传感器组成、优缺点及工作原理。


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  压阻式压力传感器组成


  压阻式压力传感器又称为固态压力传感器,它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力,而是直接通过硅膜片感受被测压力的。硅膜片的一面是与被测压力连通的高压腔,另一面是与大气连通的低压腔。

  硅膜片一般设计成周边固支的圆形,直径与厚度比约为20~60。在圆形硅膜片N型定域扩散4条P杂质电阻条,并接成全桥,其中两条位于压应力区,另两条处于拉应力区,相对于膜片中心对称。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上扩散制作电阻条,两条受拉应力的电阻条与另两条受压应力的电阻条构成全桥。

      压力传感器的种类繁多,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。这种传感器采用集成工艺将电阻条集成在单晶硅膜片上,制成硅压阻芯片,并将此芯片的周边固定封装于外壳之内,引出电极引线。

  压阻式压力传感器主要由固定在硅杯上的硅杯膜片和外壳组成。硅膜片的上下有低压腔和高压腔,高压腔通入被测压力,低压腔与大气相通,检测表压力。也可以分別通入高、低压力,检测差压力。在被测压力或差压作用下,硅膜片产生应变,扩散电阻的阻值随应变而变化。传感器的外形结构因被测介质性质和测压环境而有所不同。由硅杯膜片构成的压力传感器又称为扩散硅压力传感器。

   已经出现的集成压阻式压力传感器(又称固态压力传感器),采用大规模集成电路技术,将扩散电阻、检测放大电路、温度补傥电路乃至电源变换电路和微处理器集成在同一块中晶硅膜片上,兼有信号检测、处理(放大、运算、补偿)、记忆功能,从而大大地提高了传感器的稳定性和测量准确度。


   压阻式压力传感器的优缺点


   压力传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。在航天和航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布,测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。

  在飞机喷气发动机中心压力的测量中,使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中,压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。

   单个传感器直径仅2.36毫米,固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22%。在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。是一种用于测量脑压的传感器的结构图。

  压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外,在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式压力传感器。

  压阻式压力传感器灵敏度高,它的灵敏系数比金属应变片高50~100倍;频率响应快,不仅能检测靜态压力,还能检测动态压力(最高可达10kHz);易于小型化和微型化,最小的传感器可小至1.8mm,在生物学上可以测量血管内压和颅内压;测压范围很宽,可以低至10Pa的微压(用于血压测量)、高至60MPa的高压;工作可靠,测量准确度可达±().2%-±0.02%,高准确度的产品可用于大型飞机大气数据的压力检测或作为标准压力计。目前已经广泛应用于石油、化工、电气等工业领域,是一种比较理想、发展迅速、正在逐渐成为市场主流的压力传感器。


  压阻式压力传感器工作原理


   当传感器处在压力介质中时,介质压力作用于波纹膜片上,其中的硅油受压,硅油将膜片的压力传感给半导体芯体。受压后其电阻值发生变化,电阻信号通过引线引出。不锈钢波纹膜片壳体感受压力并保护芯体,因而压阻式压力传感器能在腐蚀性的介质中感应压力信号。

  以上就是小编为大家介绍的压阻式压力传感器组成、优缺点及工作原理的全部内容,压阻式传感器的应用范围很广,主要应用航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

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