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、智能建筑、生產自控、鐵路交通、航空航天、石化、油井、電力、軍工、機床、管道等眾多行業。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為電量，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態的測量當中，原因是受到外力作用后的電荷，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。因此壓電傳感器只可以應用在動態的測量當中。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產生的電阻變化。不同于上述壓電效應，壓阻效應只產生阻抗變化，并不會產生電荷。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。由于硅是現今集成電路的主要，以硅制作而成的壓阻性元件的應用就變得非常有意義。硅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型硅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型硅中，此現象變得更復雜，而且也導致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為敏感元件，將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為電容器的一個電極，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號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為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號輸出，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為兩種：變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大；缺點就是不能應用于高頻動態環境。


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，電流會隨著氣隙的變化而變化，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，壓力的變化導致磁性元件的移動，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?；魻栃侵府敼腆w導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（霍爾電壓）的現象。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可證實導體內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產生一個電場，此電場將會使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得后來的電子能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。
③當磁場為一交變磁場時，霍爾電動勢也為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型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導體質結構材料，N型硅的霍爾系數、溫度穩定性和線性度均較好，砷化鎵溫漂小，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產生。簡而言之，就是電磁感應效應所造成。這個動作產生了一個在導體內循環的電流。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態力的檢測。
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確度，因為時間和頻率是能準確測量的物理量參數，而且頻率信號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干擾能力，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為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，即輸入是力信號，輸出的是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為上下兩個部分組成，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，如果確認不是，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，泄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，傳感器擰緊之后密封圈被壓縮到傳感器引壓口里面堵塞傳感器，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將傳感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正?？筛鼡Q密封圈再試。
第三種是傳感器輸出信號不穩。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干擾能力不強、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，確認正常的偏差范圍即可；
最后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范圍很小，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，安裝固定后調整變送器零位到標準值。

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范圍內垂直偏移保持恒定，因此變換器擴散和激光調節修正的變化將產生偏移量誤差。
2、靈敏度誤差
產生誤差大小與壓力成正比。如果設備的靈敏度高于典型值，靈敏度誤差將是壓力的遞增函數。如果靈敏度低于典型值，那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數。該誤差的產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，該誤差的產生原因在于硅片的物理非線性，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、滯后誤差
在大多數情形中，壓力傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計，因為硅片具有很高的機械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。

壓力傳感器的抗干擾措施
1、保持穩定度
大部分傳感器在經過超時工作后會產生“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將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，然而這一點在以后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將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、選擇輸出信號
壓力傳感器需要得到怎樣的輸出信號：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”或其他電子干擾信號。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輸出的傳感器最為經濟而有效的解決方法，如果需要將輸出信號放大，最好采用具有內置放大的傳感器。對于遠距離傳輸出或存在較強的電子干擾信號，最好采用mA級輸出或頻率輸出。
如果在RFI或EMI指標很高的環境中，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號有很多種，主要有4-20mA，0-20mA，0-10V，0-5V等等，在上面舉例的這些輸出信號中，只有4-20mA為兩線制，我們所說的輸出為幾線制不包含接地或屏蔽線，其他的均為三線制)。
4、選擇勵磁電壓
輸出信號的類型決定選擇怎么樣的勵磁電壓。許多放大傳感器有內置的電壓調節裝置，因此其電源電壓范圍較大。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
確定所需的傳感器是否能夠適應多個使用系統，尤其是對于OEM產品。一旦將產品送到客戶手中，那么客戶用來校準的花銷是相當大的。如果產品具有良好的互換性，那么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，我們確定上面的一些參數之后還要確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、確認壓力測量的類型即要測的是表壓、絕壓還是差壓。表壓是指以大氣壓為零點的壓力值，可以有正負值，高于大氣壓的為正，低于大氣壓的為負。絕差是指以絕對真空為零點的壓力值，絕壓只有正值，沒有負值。差壓是指兩個壓力之間的差值。絕壓測量是將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只有真空（小于5mtor）和標準大氣壓（14.7psi）兩種，參考壓力為真空的傳感器我們稱為絕壓傳感器，為一個標準大氣壓的傳感器我們稱為密封表壓傳感器。因為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、確認被測的介質，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、確認測量的壓力范圍。
4、確認準確度等級（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確度進行選擇。
5、確認工作溫度范圍。被測介質的溫度應處于壓力傳感器的工作范圍以內，否則測量結果誤差將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、確認壓力的接口。壓力接口即你所需要的螺紋接口，M20*1.5、G1/4、NPT1/4等為通用接口，其它螺紋接口可定制。
7、確認輸出信號。輸出信號一般為0～24mADC，0～5VDC，0.5~4.5VDC，1～5VDC，0～10VDC等。
8、確認供電電壓。
9、確認工作環境。是否存在振動或者電磁干擾等
10、確認電氣連接方式等。即壓力傳感器信號輸出到什么上面，是PLC或者其它。

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