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壓力傳感器是什么?壓電式壓力傳感器的原理

閱讀:53發(fā)布時間:2022-12-1


壓力傳感器是一種裝有壓敏元件的裝置, 用于測量氣體或液體對由不銹鋼、硅等制成的隔膜的壓力, 并將測量值轉(zhuǎn)換為輸入電信號作為輸出。壓力是由表面上的液體或氣體的定義為施加的力,它通常是每單位表面積的力的測量單位。常見的單位是Pascal(PA)、公斤(KG)、巴(bar),N / mm2或PSI(磅每平方英寸)。

壓力傳感器的使用非常廣泛:例如直接用作各種壓力的測定:氣壓、水壓、液壓(包括水壓);汽車、某些高檔摩托車以及幾乎所有內(nèi)燃機里都有壓力傳感器的使用;各種液位測定的現(xiàn)場表計大多也是壓力傳感器;大多數(shù)電子稱量稱、汽車衡的稱重信號來源也是壓力傳感器,航空、航天中加速度測量也使用壓力傳感器等等。一般壓力傳感器測量壓力輸出是mV級別的模擬電壓信號,需要就近送入放大器環(huán)節(jié)做放大?,F(xiàn)在基本上放大器已經(jīng)和傳感器合為一體,稱為壓力變送器,變送器輸出0--10V的電壓信號或者4--20mA的電流信號等。

壓力傳感器的用途

我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的,這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道,晶體是各向異性的,非晶體是各向同性的。某些晶體介質(zhì),當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時,就產(chǎn)生了極化效應;當機械力撤掉之后,又會重新回到不帶電的狀態(tài),也就是受到壓力的時候,某些晶體可能產(chǎn)生出電的效應,這就是所謂的極化效應??茖W家就是根據(jù)這個效應研制出了壓力傳感器。

 壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英(二氧化硅)是一種天然晶體,壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,在一定的溫度范圍之內(nèi),壓電性質(zhì)一直存在,但溫度超過這個范圍之后,壓電性質(zhì)消失(這個高溫就是所謂的“居里點")。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數(shù)比較低),所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù),但是它只能在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應用。磷酸二氫胺屬于人造晶體,能夠承受高溫和相當高的濕度,所以已經(jīng)得到了廣泛的應用。在現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上,比如現(xiàn)在的壓電陶瓷,包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT、鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

 壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理,壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量,因為經(jīng)過外力作用后的電荷,只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的,所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用,特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè),例如用它來測量在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力,也可以用來測量微小的壓力。壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫(yī)學測量中,比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的,因為測量動態(tài)壓力是如此普遍,所以壓電傳感器的應用就非常廣。

  除了壓電傳感器之外,還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器,利用應變效應的應變式傳感器等,這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料,在不同的場合能夠發(fā)揮它們的用途。

壓電式壓力傳感器



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