压力传感器芯体种类及原理.doc

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压力传感器芯体种类及原理

电容式和单晶硅谐振式; 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 感器等电容式和单晶硅谐振式; 半导体应变片压力传感器 2、电感式压力传感器 电感式传感器 inductance type transducer 电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移,压力,流量,振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化,再由电路转换为电压或电流的变化量输出,实现非电量到电量的转换 3、电容式压力传感器 电容式差压传感器δ室剖面图 ? ??? 差动电容的输入激励源通常做在信号处理壳体中,其频率通常选取100kHz左右,幅值约为10Vpp左右。经变送器内部的CPU 线性化后,差压变送器的输出精度一般可达1%左右。? 带隔离膜片的差动电容压力传感器? 对额定量程较小的差动电容式差压变送器来说,当某一侧突然失压时,巨大的差压有可能将很薄的平膜片压破,所以设置了安全悬浮膜片和限位波纹盘,起过压保护作用。 电容式压力传感器一般都是利用弹性元件(例如膜片)作为感受压力的灵敏元件,并作为电容传感器的动极片。图 4-44为它的原理图,这里利用膜片作为一个极板(动极片)和固定在传感器壳体上的定极片形成一个电容器,在未受压力作用时,它们之间的电容量为C0,在测量时,压力通过介质加到膜片上,此时膜片将产生位移x,使两极板间的距离减小二,从而使电容址发生变化,由C0变为Cx,这样就可以用电容量cx来表达所测压力P的大小,这就是电容式压力传感器的工作原理。 图4-45是一只电容式压力传感器的结构原理图,图中波纹膜片3作为传感器的动极片,而安装在支架5上的极片6 为定极片,它们组成一个电容器,标准垫片9安置在动极片和定极片之间,用来保证两极板间的初始间隙,也由此决定这只电容传感器的初始电容c0。固定螺钉2把支座1、4和标准垫片等连接起来。测量时,待测的介质从支座1的中间孔进入传感器内,加压力于膜片3上,使膜片产生与压力夕相应的位移,从而改变两极板间的电容量,这样就完成了压力一电容的转换过程。 谐振式压力传感器 电阻应变片压力传感器 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 发展状况? 1954年C.S.史密斯详细研究了硅的压阻效应,从此开始用硅制造压力传感器。早期的硅压力传感器是半导体应变计式的。后来在?N型硅片上定域扩散P型杂质形成电阻条,并接成电桥,制成芯片。此芯片仍需粘贴在弹性元件上才能敏感压力的变化。采用这种芯片作为敏感元件的传感器称为扩散型压力传感器。这两种传感器都同样采用粘片结构,因而存在滞后和蠕变大、固有频率低、不适于动态测量以及难于小型化和集成化、精度不高等缺点。70年代以来制成了周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。

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