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压力传感器技术
技术分类:仪表与过程传感器 作者:Peter Welander 发表时间:2008-06-30

  压力传感器随处可见,但是你知道它的内部结构么?选择正确的技术很关键,在极端环境下这点尤其重要。

  回到机械和压力表的时代,大多数的设计都是基于一个原型,然而,当进入了电子传感器时代,一种全新的测量技术产生了。你是否应该关注这种传感器的设计?它是否采用了电磁技术?它是电容性的么?它更偏向于应变仪还是晶振?你到底应该对此给予多少关注?
  对于普通的应用场合,任何一种方法都可以满足需求,然而,如果你需要极高的性能,或者需要考虑极端条件的时候,优劣自分。
  评价压力传感器技术应对如下诸多参数进行考核:
  ■ 精度(读数与真值之间的误差)
  ■ 线形度(信号对应于压力变化的线性度)
  ■ 重复性(对同一压力的读数差异)
  ■ 磁滞现象(不同点回归现象)
  ■ 耐久度(可以承受多次高/低压循环)
  ■ 稳定性(能够保持读数稳定)
  ■ 抗电磁干扰性(对本地EMI的抗性)
  ■ 温度区间(可以忽略过程温度变化/环境温度极限)
  ■ 物理敏感性/抗干扰性(抗压力、撞击和振动)
  ■ 运行区间(适合工作压力)
  ■ 时效模式(可视化读数,释放或污染过程流)
  ■ 安全性(可以用于危险区域或者不可以


  ■ 功耗(可以电池供电或者不可以)
  ■ 输出信号(何种格式,模拟/数字)
  ■ 材料(温度极限,抗腐蚀性)
  ■ 体积
  ■ 费用
  其中一些参数可以测量并在生产商资料中给出,但是其他却很难明确指定。例如,世上任何设计都会有精度和温度限制,但是稳定性和抗干扰性就不那么容易量化,更别提比较。一些参数与传感器技术本身有关,一些由信号处理或用例设计来决定。
  膜片一边的压力会导致膜片形变,电子测量技术实际上都是基于对此形变的测量。在不同方向上,可能有2个或者1个膜片。生产厂商所用的膜片的不同,导致测量形变所代表的意义也不同。
  主要的技术是电容测量、压电测量和应力测量(见本文后面的注解)。较少使用的方法包括共振频率、电化学、磁力或其他技术。每一种技术都有其优点和局限性。

  有多少种设计
  有些公司专注于一种到两种方法,并将其扩展。有些公司提供多样化的产品和技术。例如,Endress+Hauser公司的陶瓷膜片电容传感器。压力产品部经理Mark Repko说道:“我们的Ceraphire陶瓷膜片传感器提供了高精度和高稳定性的压力测量,在很多金属膜片容易失效的场合它都表现出色,例如高温真空环境、打浆机、化学腐蚀和经常的过压(例如水锤)。”
  Crystal Engineering公司的设计采用了油浸硅晶体压阻技术。市场部主管Miranda Battenburg说道:“我们的仪表是电子式的,所以没有运动部件,更不会被振动或者移动影响,这对于加工工场和精炼厂是理想的选择。膜片以硅树脂油为载体,传感元件直接感测由油传过来的压力,而不与膜片直接接触。这可以保护传感元件免受流经化学物质的损坏。”
  横河改变方向,开发出了两种采用新传感技术的方法。变送器产品经理Allen Erwin说道:“1990年,横河开发了独一无二的电子压力传感器,代替差分电容和抗压阻技术。抗压阻和电容技术始于20世纪60年代,我们采用数字传感器的DP harp系列压力变送器代表了最新的压力传感技术。此技术所带来的性能、特性和收益上的改进对很多新产品起到了推动作用。”
  对传统的机械技术进行了电子化升级,Ashcroft公司的模拟直读波登管压力表可以提供电子输出。Ashcroft公司的压力变送器产品经理Mark Zabawa说道:“Xmitr设计基于涡流传感器,这将波登管的机械振动转换成电子信号。波登管上有标尺,在两线圈之间移动,提供与被施加压力相符合的信号。这为用户提供嵌入设备本身的本地和远程压力读数,并可以与现有压力控制系统直接接口。”
  其他公司采用更多的技术,为相应工作提供相应工具。霍尼韦尔传感与控制公司的压力器具全球工程负责人Lamar F.Ricks说道:“霍尼韦尔传感与控制公司在传感器工业中由最广泛的压力传感技术组合。S & C 压力产品中所使用的技术包括粘贴式应变计、粘贴箔式应变计、压阻式力敏硅传感器、油浸型压阻式力敏硅传感器、薄膜、先进厚膜(ATF)和表面波。”
  有如此多的可选技术,如何决定向客户推荐哪种技术?Rick补充道:“油浸型压阻式力敏硅传感器技术或许是压力变送器产品中选用最广泛的技术了,它是一种带有过程记录的高度可靠稳定的技术,采用了媒介隔离压力传感解决方案,适用于重载和恶劣环境中的压力传感应用,可以与牌号316的不锈钢兼容使用。先进厚膜(ATF)应变计技术虽然是最近产生的,但是已经经过了实践考验,具有很多独一无二的优点和性能优势,尤其适用于某些特定应用领域,例如水力学。基于ATF技术的解决方案具有高可靠性,在动态压力环境中提供平均故障时间间隔。”

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