壓力傳感器的選擇與應(yīng)用

壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的使用場合、條件和要求，選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟(jì)、合理。
一、壓力傳感器的主要性能參數(shù)
１．額定壓力范圍
額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。
２．最大壓力范圍
最大壓力范圍是指傳感器能長時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會(huì)被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的２－３倍。
３．損壞壓力
損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。
４．線性度
線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離。
５．壓力遲滯
為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳感器輸出之差。
６．溫度范圍
壓力傳感器的溫度范圍分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。
二、壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例
１．應(yīng)變片式壓力傳感器的壓力變換電路
應(yīng)變片式壓力傳感器由于用途和壓力量程等的差異，故銷售產(chǎn)品有各種各樣的結(jié)構(gòu)。例如，隔膜型構(gòu)造的產(chǎn)品，感受壓力的膜片上粘貼應(yīng)變片，檢測壓力使阻值發(fā)生變化。實(shí)際壓力傳感器是由應(yīng)變片連成的惠斯登電橋，如圖1所示，其中加入了各種補(bǔ)償電阻。R1-R4是應(yīng)變片電阻，通常為350 和 與壓力無關(guān)。 是調(diào)整電橋平衡電阻，通常為1 左右。 是零位溫度特性的補(bǔ)償電阻，通常小于1 。 為補(bǔ)償靈敏度溫度特性的電阻，通常為 ，也有取 加入的。 為調(diào)整額定輸出的電阻，通常為數(shù)K 。 為輸入電阻值調(diào)整電阻，通常為數(shù)K 。
用壓力傳感器進(jìn)行測量和控制壓力，電橋的輸出電壓僅為MV級(jí)，難以直接使用，需設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理放大。信號(hào)處理放大電路如圖形控制所示。
（1）電橋電壓電路
圖1中苦A端加正電壓，C端加負(fù)電壓，則D端可得正輸出電壓，而B端可得負(fù)輸出電壓。由于輸出電壓 與電橋電壓E成正比，所以，若增加E，放大電路本身長的漂移增大，受應(yīng)變片允許功耗的限制。因此，電橋電壓E以不超過6V為宜。
（2）電橋平衡電路
通常惠斯登電橋中，由于 不可避免地會(huì)存在偏差，故在沒有加壓力的狀態(tài)下就有輸出電壓存在，通常這個(gè)數(shù)值有 左右。采用圖3所示的簡單電路，即可進(jìn)行零位調(diào)整，但這樣會(huì)影響溫度特性，所以必須用壓力校正裝置和恒溫槽等以保證正確的特性。
（3）放大電路
采用上述輸出電壓靈敏度為 壓力傳感器，且電橋電壓為5V，此時(shí)放大電路的輸入電壓（即電橋輸出電壓）為：
如周圍環(huán)境溫度變化 時(shí)，使輸出電壓 的變化控制在 額定輸出以內(nèi)，則容許放大電路的輸入換算成漂移為 。通過選擇 和 的失調(diào)電壓溫度系數(shù)的一致性，這個(gè)數(shù)值是比較容易實(shí)現(xiàn)的。
若輸出電壓為5V，則增益可600倍。為使輸出級(jí)和零位調(diào)整電路的漂移影響變小，則必須使初級(jí)分擔(dān)的增益增大。
圖2是電源電太為 的實(shí)例。在檢測壓力時(shí)，因負(fù)壓為 ，所以，根據(jù)使用目的，也可以使用單一電源。

另外，若在輸出級(jí)的后面附加電壓/電流轉(zhuǎn)換電路，還可以制4-20MA的電流傳輸型電路。




2．?dāng)?shù)字式壓力測量儀
數(shù)字式壓力測量儀是選用摩托羅拉MPX700DP壓差傳感器，設(shè)計(jì)成的測量和顯示表壓、真空（負(fù)壓）或差壓的壓力測量裝置。
（1）傳感器的基本結(jié)構(gòu)和特性
圖4所示為壓力傳感器硅片的俯視圖，應(yīng)變電阻成對(duì)角狀置于膜片邊緣。電壓由交叉管1和3加入，反映壓力的敏感電阻上形成的電壓由交叉2，4腳輸出，外接電阻用于溫度補(bǔ)償。

MPX700DP傳感器的電源電壓為3V，在任何情況下不要超過6V。當(dāng)壓力端口的壓力高于真空端口的壓力時(shí)，出現(xiàn)在2，4端的壓差電壓為正。當(dāng)采用3V電源供電時(shí)，標(biāo)稱滿量程電壓輸出為60MV。
當(dāng)零壓力加于傳感器上時(shí)，仍存在一些輸出電壓，這個(gè)電壓稱為零點(diǎn)偏差。對(duì)于MPX700系列傳感器，零點(diǎn)偏差電壓在0-35MV范圍內(nèi)。零點(diǎn)偏差電壓可由合適的儀表放大器通過調(diào)零解決。輸出電壓隨輸入壓力而線性變化。
（2）溫度補(bǔ)償
輸出電壓受環(huán)境溫度的影響，為此需進(jìn)行一定補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄝ^多，最簡單的方法是在傳感器與電阻之間串聯(lián)電阻。圖5所示為數(shù)字測量儀電路原理圖，其中R5和R13為溫度補(bǔ)償電阻，在0-80 的溫度范圍內(nèi)可獲得滿意的補(bǔ)償效果。由于傳感器的橋驅(qū)動(dòng)電壓要求為3V左右，所以在電路串聯(lián)電阻后，既起到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч挚蓪?duì)電源電壓降壓以滿足傳感器的電壓要求。









需要注意的是，由于傳感器的輸出電壓與電源電壓具有密切關(guān)系（成比例），所以15V的電壓務(wù)必穩(wěn)定。在很多應(yīng)用中，一般15V穩(wěn)壓芯片均可提供所需的穩(wěn)定電源電壓。
用串聯(lián)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，其中一個(gè)電阻的值須為傳感器電橋輸入電阻的3。577倍（ ），而傳感器的電橋輸入電阻為400-500 ，這樣，補(bǔ)償電阻將為1431-1967。如果需要補(bǔ)償?shù)牧看笥? 或使用溫度低于80 ，那么400-500 中的任何一個(gè)值都可用于對(duì)補(bǔ)償電阻的換算。
在圖5的電路中，溫度補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)電阻組成，以使傳感器2，4端的靜態(tài)接近模擬和數(shù)字電源電壓（5V）的中間值（2。5V）。
（3）傳感器放大器
傳感器放大器用于將傳感器的差分輸出電壓（100PSI時(shí)為600MV）進(jìn)行放大以驅(qū)動(dòng)后續(xù)的電路。另外，放大器還提供零壓力情況下傳感器零點(diǎn)偏差電壓。整個(gè)電路如圖5所示。為了上述目的，電路采用了3個(gè)運(yùn)算放大器（均采用LM324）。具有高輸入阻抗的運(yùn)放IC 和IC 可保證不會(huì)增加基本傳感器的負(fù)載。
放大器的增益可通過電位器R6進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足滿量程時(shí)應(yīng)達(dá)到的輸出。圖5中放大器的增益可表示為：
A=2（1+100K/R）

其中，A為電路的增益；R為R6、R7之和；100K為電路中R8、R9、R10和R12的具體阻值。
正如上述增益等式，當(dāng)R為無窮大時(shí)，增益的最小值為2，放大器可提供100或更高的增益（通過調(diào)整R6，R7）。但在這種應(yīng)用中，放大器增益需限制在2。4—5。3之間，以適應(yīng)傳感器的滿量程范圍。
分壓器由電阻R15、R16和R17構(gòu)成，以提供IC 的反向輸入端的可調(diào)電壓。由于 的增益小1，故此電壓經(jīng) 后，幅度減小。然后再將其加到A/D轉(zhuǎn)換器上，這樣可減小由于傳感器誤差電壓帶來的不良影響，同時(shí)也可以使當(dāng)壓力為零時(shí)，顯示裝置相應(yīng)顯示00。放大器的差分輸出以自LM324的7腳和8腳。輸出信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器以形成相應(yīng)的數(shù)字輸出。
（4）A/D轉(zhuǎn)換器
A/D轉(zhuǎn)換器電路采用一塊高性能的3位半A/D轉(zhuǎn)換器芯片（），它包含了全部轉(zhuǎn)換所需的實(shí)際器件，將運(yùn)算放大器差分輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。顯示部分采用2塊LCD顯示器。
IC2內(nèi)有7段數(shù)字譯碼器、顯示驅(qū)動(dòng)電路、頻率產(chǎn)生器、參考電壓和時(shí)鐘。芯片可直接驅(qū)動(dòng)3位半的LCD，而不需要多路選擇式的顯示方式。只是這種應(yīng)用時(shí)，LCD的最高位和最低數(shù)字不能補(bǔ)利用。但如果需要較大的范圍或分辯率時(shí)，未使用的芯片端口可再連接一位半的附加數(shù)字顯示位。
如果IC230腳和31腳的模擬差分輸入等于35腳和36腳參考電壓兩倍的話，IC2可達(dá)到滿量程輸出（2000個(gè)計(jì)數(shù)值）。在這種應(yīng)用中，分壓網(wǎng)絡(luò)由R2，R3和R4組成，通過對(duì)5V電壓分壓以提供合適的參考電壓（238MV）。當(dāng)壓力為100PIS時(shí)，應(yīng)出現(xiàn)最大數(shù)字顯示（即計(jì)數(shù)值為1000時(shí)對(duì)應(yīng)的值，也就是A/D轉(zhuǎn)換器滿量程變換能力的一半），所以IC2最大模擬輸入電壓為238MV。這樣放大電路的增益必須為238/60，即大約為4。當(dāng)壓力超過100PSI時(shí)，低兩位數(shù)字被讀出并予顯示。
IC2還可以對(duì)模擬輸入的正和負(fù)做出響應(yīng)，由下而上0腳產(chǎn)生相應(yīng)的極性指示。如果需要的話，電路可用于正、負(fù)不同的壓力測量，用20腳的極性輸出指示負(fù)壓力。
在圖5電路中，IC2的3 位驅(qū)動(dòng)能力只用了2位。如果換成 位的LCD顯示器，壓力讀數(shù)的分辯率可增加10倍。另外，100PSI內(nèi)的任何輸入壓力或大于100PSI的輸入壓力將導(dǎo)致最高位的“1”字被顯示出來。
（5）電路裝調(diào)及壓力連接
壓力傳感器需小心安裝于PC板上（有缺口的管腳為1管腳），并使用合適的工具和螺釘緊固傳感器。注意不要過緊，以免損壞塑殼。為了保證穩(wěn)定，除R5，R11和R8外，均應(yīng)使用金屬膜電阻。
用于壓力測量時(shí)，最靠近腳4的端口接入待測壓力，即為如圖6所示的P1口，其余端口開放（即接入大氣壓）；真空測量時(shí)，則使用端口P2，同時(shí)相反的端口開放（即接入大氣壓）
當(dāng)該裝置用于測量壓差時(shí)，兩個(gè)端口均要用到。當(dāng)端口P1的壓力高于端口P2的壓力時(shí)，壓力讀數(shù)為正，其值為兩端口壓力差。同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換器的20腳將輸出其極性指示。
端口與端口的連接須用夾子夾緊壓力管。100PSI是兩壓力之差，如果夾具不可靠，則壓力管有可能會(huì)突然脫落。
（6）校準(zhǔn)
電路的校準(zhǔn)包括零點(diǎn)校準(zhǔn)（R16）和滿量程校準(zhǔn)（R6）兩個(gè)方面。
校準(zhǔn)時(shí)，需要壓力可達(dá)100PSI的壓力源和精確的壓力表。由于傳感器的輸出電壓與電源電壓的大小密切有關(guān)，所以電路校準(zhǔn)必須使用標(biāo)準(zhǔn)15V電源。任何電源的變化都會(huì)引起校準(zhǔn)誤差。當(dāng)啟動(dòng)測量裝置后，在零壓力時(shí)，通過調(diào)節(jié)R16，使輸出顯示值為00。注意：當(dāng)R16調(diào)0的任何一邊時(shí)，讀數(shù)都會(huì)偏離00。
將傳感器接入壓力源。使用已知精度的壓力儀表，調(diào)節(jié)壓力源使其指向100PSI。調(diào)節(jié)R6使其顯示值為00（即表示100PSI）。由于A/D轉(zhuǎn)換器能夠顯示超過100的數(shù)字，故調(diào)節(jié)R6可很容易使顯示值位于01-99以內(nèi)。
去掉壓力源，重新檢查調(diào)零電位器，再次進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)。再次檢查100PSI時(shí)是否顯示00。這樣便完成了電路的校準(zhǔn)。
當(dāng)壓力在0-100PSI之間時(shí)，數(shù)字壓力測量儀可通過參考?jí)毫Ρ淼膶?duì)比進(jìn)行檢查。注意，當(dāng)壓力超過100PSI時(shí)，仍可進(jìn)行顯示，但精度已大為降低。






溫度傳感器選用時(shí)需考慮的問題

選擇溫度傳感器比選擇其它類型的傳感器所需要考慮的內(nèi)容更多。首先，必須選擇傳感器的結(jié)構(gòu)，使敏感元件的規(guī)定的測量時(shí)間之內(nèi)達(dá)到所測流體或被測表面的溫度。溫度傳感器的輸出僅僅是敏感元件的溫度。實(shí)際上，要確保傳感器指示的溫度即為所測對(duì)象的溫度，常常是很困難的。
在大多數(shù)情況下，對(duì)溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個(gè)方面的問題：
（1）被測對(duì)象的溫度是否需記錄、報(bào)警和自動(dòng)控制，是否需要遠(yuǎn)距離測量和傳送。
（2）測溫范圍的大小和精度要求。
（3）測溫元件大小是否適當(dāng)。
（4）在被測對(duì)象溫度隨時(shí)間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應(yīng)測溫要求。
（5）被測對(duì)象的環(huán)境條件對(duì)測溫元件是否有損害。
（6）價(jià)格如保，使用是否方便。
容器中的流體溫度一般用熱電偶或熱電阻探頭測量，但當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命比探頭的預(yù)計(jì)使用壽命長得多時(shí)，或者預(yù)計(jì)會(huì)相當(dāng)頻繁地拆卸出探頭以校準(zhǔn)或維修卻不能在容器上開口時(shí)，可在容器壁上安裝永久性的熱電偶套管。用熱電偶套管會(huì)顯著地延長測量的時(shí)間常數(shù)。當(dāng)溫度變化很慢而且熱導(dǎo)誤差很小時(shí)，熱電偶套管不會(huì)影響測量的精確度，但如果溫度變化很迅速，敏感元件跟蹤不上溫度的迅速變化，而且導(dǎo)熱誤差又可能增加時(shí)，測量精確度就會(huì)受到影響。因此要權(quán)衡考慮可維修性和測量精度這兩個(gè)因素。
熱電偶或熱電阻探頭的全部材料都應(yīng)與可能和它們接觸的流體適應(yīng)。使用裸露元件探頭時(shí)，必須考慮與所測流體接觸的各部件材料（敏感元件、連接引線、支撐物、局部保護(hù)罩等）的適應(yīng)性，使用熱電偶套管時(shí)，只需要考慮套管的材料。
電阻式熱敏元件在浸入液體及多數(shù)氣體時(shí)，通常是密封的，至少要有涂層，裸露的電阻元件不能浸入導(dǎo)電或污染的流體中，當(dāng)需要其快速響應(yīng)時(shí)，可將它們用于干燥的空氣和有限的幾種氣體及某些液體中。電阻元件如用在停滯的或慢速流動(dòng)的流體中，通常需有某種殼體罩住以進(jìn)行機(jī)械保護(hù)。
當(dāng)管子、導(dǎo)管或容器不能開口或禁止開口，因而不能使用探頭或熱電偶套管時(shí)，可通過在外壁鉗夾或固定一個(gè)表面溫度傳感器的方法進(jìn)和測量。為了確保合理的測量精度，傳感器必須與環(huán)境大氣熱隔離并與熱輻射源隔離，而且必須通過傳感器的適當(dāng)設(shè)計(jì)與安裝使壁對(duì)敏感元件的熱傳導(dǎo)達(dá)到到最佳狀態(tài)。
所測的固體材料可以是金屬的或非金屬的，任何類型的表面溫度傳感器都會(huì)在某種程度上改變被測物表面或表面下層的材料特性。因此，必須對(duì)傳感器及其安裝方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇以便將這種干擾減到最小程度。理想的傳感器應(yīng)該完全用與所測固體相同的材料制造并與材料形成一體，這樣測量點(diǎn)或其周圍的結(jié)構(gòu)特征就不會(huì)以任何方式改變。可用的這類傳感器有各種各樣，其中包括電阻（薄膜熱電阻、熱敏電阻）型，也包括薄膜和細(xì)導(dǎo)線型的熱電偶。用可埋入的小傳感器或帶螺紋的鑲嵌件進(jìn)行表面玉的溫度測量，應(yīng)使埋入的傳咸器或鑲嵌件的外緣與所測材料的外表面平齊。鑲嵌件的材料應(yīng)與所測的材料相同，至少要非常相似。使用墊圈式傳感器時(shí)，必須注意確保墊圈所能達(dá)到的溫度盡可能接近欲測溫度。

溫度傳感器的選擇主要是根據(jù)測量范圍。當(dāng)測量范圍預(yù)計(jì)在總量程之內(nèi)，可選用鉑電阻傳感器。較窄的量程通常要求傳感器必須具有相當(dāng)高的基本電阻，以便獲得足夠大的電阻變化。熱敏電阻所提供的足夠大的電阻變化使得這些敏感元件非常適用于窄的測量范圍。如果測量范圍相當(dāng)大時(shí)，熱電偶更適用。最好將冰點(diǎn)也包括在此范圍內(nèi)，因?yàn)闊犭娕嫉姆侄缺硎且源藴囟葹榛鶞?zhǔn)的。已知范圍內(nèi)的傳感器線性也可作為選擇傳感器的附加條件。
響應(yīng)時(shí)間通常用時(shí)間常數(shù)表示，它是選擇傳感器的另一個(gè)基本依據(jù)。當(dāng)要監(jiān)視貯槽中溫度時(shí)，時(shí)間常數(shù)不那么重要。然而當(dāng)使用過程中必須測量振動(dòng)管中的溫度時(shí)，時(shí)間常數(shù)就成為選擇傳感器的決定因素。珠型熱敏電阻和鎧裝露頭型熱電偶的時(shí)間常數(shù)相當(dāng)小，而浸入式探頭，特別是帶有保護(hù)套管的熱電偶，時(shí)間常數(shù)比較大。
動(dòng)態(tài)溫度的測量比較復(fù)雜，只有通過反復(fù)測試，盡量接近地模擬出傳感器使用中經(jīng)常發(fā)生的條件，才能獲得傳感器動(dòng)態(tài)性能的合理近似。