详谈传感器的元老-----压力传感器

传感器技术 2019-09-11 18:00

作者:大新 来源:物联网空间站



传感器技术是当代科学技术发展的一个重要标志,发展迅猛,同计算机技术与通信技术一起被称为信息技术的三大支柱,具有巨大的应用潜力,拥有广泛的开发空间,发展前景也是十分广阔。


传感器的种类也非常的多,从1883年全球第一台传感器被发明,到如今,传感器的种类已是成千上万。在众多的传感器中,压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。



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压力传感器简介


信息社会里,人们为了促进社会生产力的向前发展,需要用传感器来检测许多非电量信息,如压力、流量等等。从气压计等简单的指示测量到航空航天等特殊条件和环境下的高可靠、高精度压力监测控制,其关键部件的压力传感器起决定性作用。


压力传感器(Pressure Transducer)通常由压力敏感元件和信号处理单元组成,是能感受压力信号,并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。


传统的压力传感器以机械结构型的器件为主,以弹性元件的形变指示压力,但这种结构尺寸大、质量重,不能提供电学输出,所以被最常应用在工业领域中。随着半导体技术的发展,半导体压力传感器也应运而生,其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展,半导体传感器向着微型化发展,而且其功耗小、可靠性高。


随着科技的发展对压力传感器的要求一直在变化,压力传感器也不断的在顺势更迭,当今世界各国压力传感器的研究领域十分广泛,几乎渗透到了各行各业,它的应用前景非常的广泛。



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压力传感器的种类以及原理


压力传感器的种类很多,根据不同的分类标准可以分成不同种类。本文介绍一下最为常见的五种压力传感器:



1、压阻式力传感器


电阻应变片是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。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。



压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用,电桥处于平衡状态(称为零位),当传感器受压后芯片电阻发生变化,电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源,电桥将输出与压力对应的电压信号,这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化,经过放大后,再经过电压电流的转换,变换成相应的电流信号,该电流信号通过非线性校正环路的补偿,即产生了与输入电压成线性对应关系的输出信号。


2、陶瓷压力传感器


陶瓷压力传感器基于压阻效应,压力直接作用在陶瓷膜片的前表面,使膜片产生微小的形变,厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面,连接成一个惠斯通电桥,由于压敏电阻的压阻效应,使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压,也成正比的电压信号,标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/v ,等,可以和应变式传感器相兼容。



3、扩散硅压力传感器


扩散硅压力变送器是把带隔离的硅压阻式压力敏感元件封装于不锈钢壳体内制作而成。它能将感受到的液体或气体压力转换成标准的电信号对外输出。


扩散硅压力传感器工作原理也是基于压阻效应,利用压阻效应原理,被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷),使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,利用电子线路检测这一变化,并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。广泛应用于供/排水、热力、石油、化工、冶金等工业过程现场测量和控制。



4、蓝宝石压力传感器


利用应变电阻式工作原理,采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件,具有无与伦比的计量特性。因此,利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件,对温度变化不敏感,即使在高温条件下,也有着很好的工作特性;蓝宝石的抗辐射特性极强;另外,硅-蓝宝石半导体敏感元件,无p-n漂移。



5、压电式压力传感器


它的敏感元件是用压电材料制作而成的。压电效应是压电传感器的主要工作原理,那么何为压电效应呢?压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应解释为:某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后,它又会恢复到不带电的状态。逆压电效应解释为:当作用力的方向改变时,电荷的极性也随之改变。相反,当在电介质的极化方向上施加电场,这些电介质也会发生变形,电场去掉后,电介质的变形随之消失。


压电压力传感器就是当压电材料受到外力作用时表面形成电荷,电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗之后,就会被转换为与受外力正比关系的电量输出。从中可以知道必须外力作用下,压电压力传感器才能工作,所以它也只能应用在动态测量中。




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压力传感器应用实例


1、压力传感器在称重系统中的应用 


在工业控制技术的商用称重系统中,压力传感技术越来越多的被应用。在很多压力控制过程中,经常需要采集压力信号,转换成能够进行自动化控制的电信号。以压力传感器制作的压力控制装置一般称为电子称重系统,电子称重系统作为各种工业过程中物料流动的在线控制工具显得越来越重要。电子称重系统既能组合在产品制造过程中优化生产,提高产品质量,又能把有关生产过程中物料流动的数据加以采集并传送到数据处理中心,作为在线库存控制和财务结算之用。


在称重的过程自动化控制中,要求压力传感器不仅能感知重力信号,而且其性能必须可靠、动态响应性要好、抗干扰性能要好;压力传感器提供的信号经检测系统可以直接显示、记录打印、存储或用于反馈调节控制。通过集成技术将压力传感器与测量线路集成在-起,使得整个装置的体积大大减小;另外屏蔽技术的发展,也将使得称重压力传感器的抗干扰能力得到保障,使得称重过程的自动化控制程度进一步得到提高。



2、压力传感器在石化行业中的应用


压力传感器是石化行业自动控制中使用最多的测量装置之一。在大型的化工项目中, 几乎包含了所有压力传感器的应用:差压、绝压、表压、高压、微差压、高温、低温,以及各种材质及特殊加工的远传法兰式压力传感器。几乎石化行业对压力传感器的需求主要集中在可靠性、稳定性和高精度3个方面。其中,可靠性和许多附加需求,如,量程比、总线类型等,依赖变送器的结构设计、机械加工工艺水平和结构材料。压力变送器的稳定性和高精度则主要由压力传感器的稳定性和测量精度保证。


与压力变送器的测量精度相对应的是压力传感器的测量精度和响应速度,与压力变送器的稳定性相对应的是压力传感器的温度特性和静压特性以及长期稳定性。石化行业对压力传感器的需求就体现在测量精度、快速响应、温度特性和静压特性、长期稳定性4个方面。



3、压力传感器在水处理中的应用


我国的环保水处理行业,近些年得到快速的发展,并且未来前景广阔。在供水和污水处理工艺中有赖于使用压力传感器为系统保护和质量保证提供重要控制和监测手段。



4、压力传感器在医疗行业中的应用

  

随着医疗设备市场的发展,对压力传感器在医疗行业中使用提出了更高的要求,如精度、可靠性、稳定性、体积等都需要加以改进。压力传感器在微创导管消融术和体温传感器测量中有着较好的应用。

      

微创手术不仅可以减少手术部位的创伤,而且大大减轻患者的疼痛,恢复过程也很快。能达到这样的要求,除了医生的手术操作经验之:外, 还与各种医疗监测设备。现在很多用于此操作的医疗器械都是微小的,像各种各样的导管和消融设备。导管包括热稀释导管、尿道管、食管导管和中心静脉导管和颅内压力容器等,它们除具有导电功能,导管在温度或压力传感器,患者的病理检查和微创手术的顺利进行提供了重要保障,温度和压力参数是成功操作的关键参数。

      

传感器能够放置在靠近患者的位置对于许多应用来说非常关键,比如在透析应用中,准确地测量透析液和静脉压力就非常重要。压力传感器必须能够精确地监测透析液和血液的压力以确保其维持在所设定的范围内。

      

此类型应用需求传感器必须外形小巧且能够耐受液体介质。在许多情况下,与液体介质不兼容的传感器需要额外安装部件来保护它,增加了产品的体积、费用以及复杂性。液体介质耐受力在监测病人呼吸时显得特别重要,因为此处的传感器必须能够承受病人的咳嗽和呼出的潮湿空气。




04

压力传感器的产业链构成


传感器创业链大致可分为研究与开发→设计→制造→封装→测试→应用等环节。压力传感器的上游原材料主要有敏感元件、转换元件等电子元件,其下游主要是电子通信、航空、汽车、自控生产、家电等领域。我们来看一张图:



上游技术壁垒高,企业群龙无首


压力传感器产业的上游是由生产其原材料的企业组成。传感器是属于应用型的产品,它必须结合应用场景才能发挥其作用,所以下游应用企业的发展和需求直接影响上游企业的布局。


虽然传感器技术在不断的进步,但由于我国传感器产业起步较,导致我国传感器与传感器技术多依赖进口。就压力传感器而言,我国内业界理论水准与国际水平并无多大差距,但基础技术,包括材料技术、制造设备、测试技术和可靠性研究等,与国际水平还是有一定差距,这些因素也直接导致了上游企业的发展缓慢,技术是发展的第一生产力,但大多先进技术都掌握在外国企业手中,压力传感器属于高端产品技术壁垒高,国内只有少数企业能生产。大多是中小型企业,从传感器创业链来看,大多数企业都是从制造开始,做着类似代工的工作。


但随着国家政策对传感器产业研发的重视,国家将鼓励、支持和培育未来我国也将出现产值超 10 亿元的行业龙头企业。


下游应用场景百花齐放,造就千万机遇


在基础科学研究中,传感器具有突出的地位。例如,在开拓新能源新材料等具有远望作用的各种尖端技术研究,如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场和超弱磁场答。显然,要获取大量人类感官无法获取的信息,没有相应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍,首先就在于对研究对象的信息获驭存在困难,而些新机理和尚灵敏度的检测仪器的出现,往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展,往往是一些边缘学科抒发的先驱。


在以前压力传感器主要应用在增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机,压缩机,空调制冷设备等领域。工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道、家电等行业。


现如今,处于风口的物联网带来的整个生态都将会是压力传感器的潜在应用市场。物联网兴起了一个智能化时代,随之而来被大众所知的概念像智慧城市、智慧交通、智慧工业、智能家居、智慧农业、智慧医疗等等,这些领域的发展全都离不开传感器这个助推器,压力传感器也必定得到更加广的应用场景和更强的需求。


不论是压力传感器上游企业还是下游企业,物联网带来百花齐放的应用场景,都将成为一个非常大的机遇,在机遇爆发之时是否能抓住是企业发展的方向。



05

压力传感器应往哪走?


小型化:目前市场对小型压力传感器的需求越来越大,这种小型传感器可以工作在极端恶劣的环境下并且只需要很少的保养和维护,对周围的环境影响也很小,可以放置在人体的各个重要器言中收集资料,不影响人的正常生活。如美国Entran公司生产的量程为2 ~ 500PSI的传感器直径仅为1.27mm,可以放置在人体的血管中而不会对血液的流通产生大的影响。


集成化:压力传感器已经越来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。集成系统在过程控制和工厂自动化中可提高操作速度和效率。


智能化
:由于集成化的出现,在集成电路中可添加-些微处理器使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。广泛化压力传感器的另一个发展趋势是正从机械行业向其它领域扩展例如:汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。


标准化
:传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如ISO 国际质量体系;美国的ANSI、ASTM标准、俄罗斯的ГOCT、日本的J IS 标准。



06

总  结


压力传感器作为传感器中的元老,它有着非常广泛的应用市场和相对完善的技术经验积累。压力传感器只是传感器中的一种,随着万物互联的不断构建,整个传感器行业在未来的应用场景都有着非常大的想象空间,怎么去定位,怎么去投入研究,怎么对产品进行转型,是企业应该根据整个市场分析来做出思考和判断的。


通过这篇文章,对压力传感器以及它的产业链做了一个全面的了解,往后看是从历史中吸取经验,往前看是从趋势中确定方向抓住机遇。 


传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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