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电容式,压阻式,压电式压力传感器

第一批压力表是纯机械的。他们使用了隔膜或“波登管”之类的机制,这些机制在压力下改变了形状,以使指针在表盘上移动。

此后,已经开发出各种技术来将机械位移转换为电信号。在这里,我们将考虑压阻,电容和压电压力传感器的相对优势。
 

工作原理

在压阻式应变仪传感器中,测量安装在膜片上的一个或多个电阻的电阻变化。电阻的变化与膜片上的压力引起的应变成正比。电阻连接在惠斯通电桥电路中,这是将微小变化转换为输出电压的非常灵敏的方式。

电容式压力传感器可测量由隔膜运动引起的电容变化。电容器由两个平行的导电板组成,两个导电板之间隔开一个小间隙。板中的一块用作隔膜,该隔膜因压力而移位,从而改变了电路的电容。可以测量电路谐振频率的变化。或者,在数字系统中,电容器充电和放电所花费的时间可以转换为一系列脉冲。

压电传感器使用的材料,例如石英晶体或特殊配制的陶瓷,在施加压力时会在表面上产生电荷。电荷放大器将其转换为与压力成比例的输出电压。给定力会在感应元件上产生相应的电荷。但是,这种电荷会随着时间的流逝而泄漏,这意味着该传感器无法用于测量静压。

可以使用硅制造技术来使所有三种类型的传感器小型化,并且可以将其与电子设备结合起来用作微机电系统(MEMS)。这样就可以构造非常小的传感元件,并与电子设备组合在一起以进行信号调节和读出。

压阻式和电容式压力传感器可用于绝对,表压,相对或差分测量。

压电传感器对压力变化敏感,因此通常将输出作为相对压力测量值,以压电材料的初始状态为参考。
 

三种传感器类型的优缺点

压阻应变计传感器

这些是最早且使用最广泛的压力传感器。

简单的结构意味着低成本和耐用性。传感器坚固耐用,具有良好的抗冲击,振动和动态压力变化的能力。

读出电路非常简单,可以进行高分辨率测量。

输出与压力呈线性关系,响应时间通常低于一毫秒。

它们可用于从3 psi到大约20,000 psi(21 kPa至150 MPa)的各种压力测量。输出随时间推移也是稳定的。

电阻元件可以结合到隔膜上。这是已经使用了很长时间的标准技术,但是粘合剂在高温和超压下可能会出现问题。

或者,可以直接在薄膜上创建薄膜电阻器。它们可以在更高的温度下工作,更适合在恶劣的环境中使用。

主要缺点是必须给传感器供电。这使其不适用于低功率或电池供电的系统。缩小尺寸会减小电阻并增加功耗。

由于缩放平均会降低传感器的灵敏度,因此在缩放方面也存在限制。然而,非常小的传感器可以被制造为MEMS器件。

传感器输出取决于温度。这对于诸如轮胎压力测量之类的应用可能是一个很大的缺点,在该应用中,在整个工作周期中温度变化很大。

硅应变计更加灵敏,可以测量低至2 kPa的压力。

结泄漏电流会降低MEMS器件的精度。通过使用绝缘体上硅(SoI)技术可以缓解这种情况,但这会增加成本。
 

电容式传感器

电容元件在机械上简单且坚固。

电容式传感器能够在很宽的温度范围内工作,并且对短期的超压条件非常容忍。

它们可用于测量各种压力,从真空(2.5 mbar或250 Pa)到高达10,000 psi(70 MPa)的高压。它们是低压应用和相当恶劣的环境的理想选择。

由于没有直流电流流过电容器,因此它们本质上是低功率的。

无源设备可能根本不需要电源。激励信号可以由外部阅读器提供。这使得它们适用于可穿戴或植入式医疗设备。这些应用可以通过新技术来增强,这些新技术可以构建灵活的或模压成型的传感器。

电容式传感器具有低滞后性和良好的测量重复性。它们还具有较低的温度敏感性。

响应时间约为毫秒,对于MEMS设备,响应时间甚至更快。

由于它们本质上是交流设备,因此电容式传感器适用于无线应用。它们可以在振荡器电路中使用,以产生频率与压力成比例的信号,该信号可以无线接收。

另外,阅读器可以使用电感耦合来测量谐振频率的变化-这特别适用于不需要电源的无源设备。

电容传感器的主要缺点之一是非线性,因为输出与平行电极之间的间隙成反比。这可以通过在膜片与下部电极上的绝缘层接触的接触模式下使用传感器来改善。但是,这会降低灵敏度并增加磁滞。它们还对振动敏感

该接口需要通过使电子设备尽可能靠近传感器来最小化杂散电容。这是MEMS技术的另一个好处。
                    

压电传感器

压电传感器的主要优点是耐用性和低功耗。

传感元件由刚性材料制成,可以是天然晶体,例如石英或特殊配制的陶瓷。这些仅需很小的变形即可产生输出,因此实际上没有活动部件。

这意味着传感器非常坚固,适合在非常恶劣的环境中使用。它们还可以承受很高的温度。有些材料可以在最高1000ºC的温度下使用。

这使得压电传感器适用于诸如测量喷气发动机压力的应用。

传感器元件是自供电的,因此本质上是低功耗设备。这也意味着它们对电磁干扰不敏感

但是,设计电子接口比其他传感器类型更为复杂。需要电荷放大器将非常高阻抗的电荷输出转换为电压信号。这需要靠近感测元件。

一些传感器包括集成电子设备,这简化了传感器的使用,但减小了工作温度范围。

使用陶瓷材料,可以以很小的位移获得可用的输出。这意味着它们可用于以非常高的精度测量介于0.1 psi和10,000 psi(0.7 kPa至70 MPa)之间的很大范围的压力。

压电元件可以非常小,对压力变化的响应非常快。某些设备可以测量大约百万分之一秒的上升时间。结果,压电传感器用于测量爆炸中的压力变化。

传感器结构简单,可以用廉价的材料制成。

压电传感器的主要限制是它们只能用于动态压力测量。

传感器对振动或加速度敏感,这在使用它们的应用中可能很常见。这可以通过使用附加到虚拟质量块上的额外“补偿”传感器来最小化。来自此的输出用于校正传感器所经历的加速度。

总体而言,这三种传感器类型均坚固耐用且成本低廉。它们在很大的压力和温度范围内起作用,因此几乎每种应用都有合适的传感器可用。

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