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閱讀：27發(fā)布時(shí)間：2022-12-1
壓阻式壓力傳感器工作原理：
當(dāng)傳感器處在壓力介質(zhì)中時(shí)，介質(zhì)壓力作用于波紋膜片上，其中的硅油受壓，硅油將膜片的壓力傳感給半導(dǎo)體芯體。受壓后其電阻值發(fā)生變化，電阻信號(hào)通過(guò)引線(xiàn)引出。不銹鋼波紋膜片殼體感受壓力并保護(hù)芯體，因而壓阻式壓力傳感器能在腐蝕性的介質(zhì)中感應(yīng)壓力信號(hào)。壓阻式壓力傳感器一般通過(guò)引線(xiàn)接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒(méi)有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱(chēng)為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ艚o電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。出現(xiàn)在大部分壓力傳感器用制造集成電路的方法，形成四個(gè)電阻值相等的電阻條，并將它們連接刻制成惠斯登電橋。惠斯登電橋采用恒流供電，這樣電橋的輸出不受溫度的影響，惠斯登電橋檢測(cè)出電阻值的變化，經(jīng)過(guò)差分一化放大器，輸出放大器放大后，再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了輸入電壓成線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。
為減小溫度變化對(duì)芯體電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器都采用溫度補(bǔ)償措施使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線(xiàn)性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持較高水平。
壓阻式壓力傳感器應(yīng)用：
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐、儀器儀表控制中常用的一種傳感器，并廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、生產(chǎn)自控、航空航天、、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等眾多行業(yè)。1954年C.S.史密斯詳細(xì)研究了硅的壓阻效應(yīng)，從此開(kāi)始用硅制造壓力傳感器。早期的硅壓力傳感器是半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)式的。后來(lái)在N型硅片上定域擴(kuò)散P型雜質(zhì)形成電阻條，并接成電橋,制成芯片。此芯片仍需粘貼在彈性元件上才能敏感壓力的變化。采用這種芯片作為敏感元件的傳感器稱(chēng)為擴(kuò)散型壓力傳感器。這兩種傳感器都同樣采用粘片結(jié)構(gòu)，因而存在滯后和蠕變大、固有頻率低、不適于動(dòng)態(tài)測(cè)量以及難于小型化和集成化、精度不高等缺點(diǎn)。70年代以來(lái)制成了周邊固定支撐的電阻和硅膜片的一體化硅杯式擴(kuò)散型壓力傳感器。它不僅克服了粘片結(jié)構(gòu)的固有缺陷，而且能將電阻條、補(bǔ)償電路和信號(hào)調(diào)整電路集成在一塊硅片上，甚至將微型處理器與傳感器集成在一起，制成智能傳感器。這種新型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是:頻率響應(yīng)高,適于動(dòng)態(tài)測(cè)量;體積小，適于微型化；精度高，可達(dá)0.1～0.01％；靈敏高,比金屬應(yīng)變計(jì)高出很多倍，有些應(yīng)用場(chǎng)合可不加放大器；無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高，能工作于振動(dòng)、沖擊、腐蝕、強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境。其缺點(diǎn)是溫度影響較大、工藝較復(fù)雜和造價(jià)高等。
壓力傳感器的種類(lèi)繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應(yīng)用廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線(xiàn)性特性。這種傳感器采用集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上,制成硅壓阻芯片,并將此芯片的周邊固定封裝于外殼之內(nèi)，引出電極引線(xiàn)。壓阻式壓力傳感器又稱(chēng)為固態(tài)壓力傳感器，它不同于粘貼式應(yīng)變計(jì)需通過(guò)彈性敏感元件間接感受外力，而是直接通過(guò)硅膜片感受被測(cè)壓力的。硅膜片的一面是與被測(cè)壓力連通的高壓腔，另一面是與大氣連通的低壓腔。硅膜片一般設(shè)計(jì)成周邊固支的圓形，直徑與厚度比約為20～60。在圓形硅膜片N型定域擴(kuò)散4條P雜質(zhì)電阻條,并接成全橋，其中兩條位于壓應(yīng)力區(qū)，另兩條處于拉應(yīng)力區(qū)，相對(duì)于膜片中心對(duì)稱(chēng)。硅柱形敏感元件也是在硅柱面某一晶面的一定方向上擴(kuò)散制作電阻條，兩條受拉應(yīng)力的電阻條與另兩條受壓應(yīng)力的電阻條構(gòu)成全橋。
壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于航天、航空、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。在航天和航空工業(yè)中壓力是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力,局部壓力和整個(gè)壓力場(chǎng)的測(cè)量都要求很高的精度。壓阻式傳感器是用于這方面的較理想的傳感器。例如,用于測(cè)量直升飛機(jī)機(jī)翼的氣流壓力分布，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的動(dòng)態(tài)畸變、葉柵的脈動(dòng)壓力和機(jī)翼的抖動(dòng)等。在飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中心壓力的測(cè)量中，使用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的硅壓力傳感器,其工作溫度達(dá)500℃以上。在波音客機(jī)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)中采用了精度高達(dá)0.05％的配套硅壓力傳感器。在尺寸縮小的風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，壓阻式傳感器能密集安裝在風(fēng)洞進(jìn)口處和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管道模型中。
單個(gè)傳感器直徑僅2.36毫米，固有頻率高達(dá)300千赫,非線(xiàn)性和滯后均為全量程的±0.22％。在生物醫(yī)學(xué)方面,壓阻式傳感器也是理想的檢測(cè)工具。已制成擴(kuò)散硅膜薄到10微米,外徑僅0.5毫米的注射針型壓阻式壓力傳感器和能測(cè)量心血管、顱內(nèi)、尿道、子宮和眼球內(nèi)壓力的傳感器。是一種用于測(cè)量腦壓的傳感器的結(jié)構(gòu)圖。
壓阻式傳感器還有效地應(yīng)用于爆炸壓力和沖擊波的測(cè)量、真空測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能以及諸如測(cè)量膛內(nèi)壓力、發(fā)射沖擊波等兵器方面的測(cè)量。此外，在油井壓力測(cè)量、隨鉆測(cè)向和測(cè)位地下密封電纜故障點(diǎn)的檢測(cè)以及流量和液位測(cè)量等方面都廣泛應(yīng)用壓阻式壓力傳感器。隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，壓阻式傳感器的應(yīng)用還將迅速發(fā)展。
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