压力传感器基础-入门培训

压力传感器基础

——入门培训(V1.0)

长沙泽天电子科技有限公司2011年8月16日

主要内容1.压力传感器与压力变送器2.压力传感器的应用场合3.压力传感器市场与发展方向4.压力传感器的分类5.几种常用的压力传感器类型6.压力传感器的原理7.压力传感器的主要参数8.压力变送器产品9.压力变送器生产与使用中的注意事项工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。基本单位为：Pa（帕斯卡），KPa、MPa、Bar（巴）1.1什么是压力？1.压力传感器与压力变送器

1Bar=100KPa1工程大气压＝1Kgf/cm2=98.0665KPa1标准大气压＝101.325KPa1.2压力传感器一种能将压力这一被测量转换成与之有一定的规律的、便于后续检测、传输或处理的部件或装置。1.4差压变送器与液位变送器习惯上，我们把压力传感器和压力变送器都称为压力传感器！2.压力传感器的应用领域

压力传感器的测量对象流体（液体、气体、溶体）通常把压力传感器的测量对象叫做被测介质压力传感器广泛应用于能源工业、航天航空、交通运输、业冶金机械制造、轻工纺织、城市供水污水处理、环保、气象、家用电器...

2.1航空航天气瓶压力传感器服装压力传感器1.3压力变送器将压力传感器的输出信号，经过电路转换成标准的电信号（电流、电压、频率等）输出。2.2在汽车上的应用2.3石油和天然气2.4食品和医疗2.5工业控制2.6污水处理用于液位测量的深水传感器高纯水系统反渗透控制

高压控制，低密度聚合物反应器

过程控制进/出口冷却压力汽车喷漆房

化学废物处理业过程控制废物沼气池

泵站流量测量3.压力传感器市场与发展方向压力是工业过程控制的第一大参数，压力传感器是传感器中的重要门类，其产值占世界传感器市场额的第一位。2003年世界压力传感器市场总额达到350亿美元，2012年预计达600亿美元。在市场销售方面，美国居首位，代表公司为库力特、霍尼韦尔、摩托罗拉、福克斯波罗、罗斯蒙特公司等。3.1国内市场1国内应用领域应用分布主要用途市场需求量(万只)占压力市场总比率能源工业17个陆、海上油田，8个气油田，69个大型矿区，360多个大型电厂，1000多家中型炼油厂发电机组控制，电力调度与控制，水文测报系统，城市供水，油田、采煤界面安全，核电站等数字采集与控制160019.2%航天航空交通运输业120个港口码头，6000艘远洋船，3万多条拖船，300万辆/年汽车，20多个飞机制造加工基地发动机系统监测，远洋货船，内燃机车，车站供水，气检测，汽车电喷等130015.6%冶金机械制造220多个冶金企业，300多个大型机床厂高炉自控，冶炼过程控制，自控车库121014.5%国内市场2国内应用领域应用分布主要用途市场需求量(万只)占压力市场总比率轻工纺织1000多家食品加工厂，5000多个酒厂，300多个纺机厂食品生产，酒容器计量，生产过程控制，纺织并条机，传动系统118014.2%医疗卫生50多家医疗器械厂，260多家制药厂血压计，医疗诊断与检测，药品制造加工8009.6%环保气象1900多个气象站，5000多个水文检测站点，30多个重型锅炉厂，3万多个废水、气排放点气象检测，废气、水检测，锅炉检测3003.6%国内市场3国内应用领域应用分布主要用途市场需求量(万只)占压力市场总比率家用电器120多家家电生产企业变频空调，中央空调，吸尘器，洗衣机，饮水机，热水器，家用冰箱等2002.4%重大工程300多个重点工程/年西气东输，南水北调，三峡工程，长江、黄河防汛6007.2%其它类300多个科研机构，100多个高效农业示范区科研，农业等5006%3.3压力传感器的发展方向小型化如美国Entran公司生产的量程为2～500PSI的传感器,直径仅为1.27mm。集成化与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。智能化集成微处理器,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、日本的JIS标准。

4.压力传感器的分类

应变式电容式差动变压器霍尔压电4.1按测量原理分类：扩散硅溅射膜应变片陶瓷电容式蓝宝石4.2按物理介质分类4.3按压力类型分类大气压力:指地球表面上的空气柱重量所产生的压力。绝压（Absolutpressure）:绝对压力，指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力表压（Gaugepressure）：指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以当地大气压为参考点。密封表压：密封表压是在传感器内部封有一个标准大气压时的压力值。差压（Differentialpressure）：任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小来测量液位和流体量的大小的。5.几种常用的压力传感器类型扩散硅压阻式陶瓷压阻压力溅射薄膜压力电容耐高温特性的蓝宝石压力5.1目前应用较为广泛的压力传感器5.2常用压力传感器特性比较原理和工艺优点缺点扩散硅在温度补偿范围内（0—50℃或0—70℃）性能稳定小量程和绝压优于其它类型灵敏度高低于0℃、高于80℃后，温度稳定

性会大幅度降低不能承受动态压力膜片易受损伤厚膜陶瓷成本低抗腐蚀性好使用温度宽输出跳动，不易读数压力下降时回零慢、迟滞大陶瓷膜片薄而脆、易碎电容式量程全抗过载能力强性能稳定体积大不能承受动态压力高温需充硅油应变片贴片低成本成熟传统工艺由胶引起的时漂大靠手工生产离散性大溅射薄膜扩散硅、厚膜、电容、应变片所固有的缺点全都没有全球公认的长期稳定性和可靠性不适于小量程测量成本高压阻效应：半导体材料具有各向异性，各个晶向晶面的应变系数不同。通过半导体工艺在半导体材料上制作出一个惠斯通电桥，在受到外力以后扩散在半导体上的电阻值会发生变化。6.压力传感器的原理

6.1扩散硅、压阻式压力传感器的工作原理

传感器芯片示意图力敏芯片芯片基底是（3×3）mm的正方体硅杯,是利用磨抛的硅片的正面扩散惠斯登电桥的四个电阻,在背面腐蚀成硅杯,通过高温氧化-光刻-离子注入-蒸铝-腐蚀等的工艺流程制作的压阻芯片溅射薄膜压力传感器是利用电阻应变效应工作的，与传统应变式压力传感器属于同一原理。两者的主要差别制作工艺上。溅射薄膜压力传感器延用了测量压力的金属弹性膜片原理，应用离子束溅射和刻蚀工艺，将应变电桥直接制作在金属测压膜上，由于没有活动部件，抗震动和抗冲击能力很强，可用于恶劣的环境。生产厂家型号最大激励输出电压精度工作温度范围STISTI80202mA100mV0.2级-40℃～125℃汇博HB21051.5mA50mV0.5级-40℃～100℃SMISM51023mA275mV0.2级-40℃～125℃MEASP63932mA150mV0.1级-50℃～150℃NOVAP8832mA133mV0.1级-40℃～125℃RampakRGI-M3mA200mV0.2级-40℃～150℃KELLERPA-105mA900mV0.1级-55℃～150℃厂家芯片6.2薄膜压力传感器工作原理

6.3薄膜传感器与半导体压阻式传感器的比较6.4陶瓷压阻式压力传感器

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击合振动的材料。低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器代替扩散硅压力传感器。陶瓷压力传感器没有液体的传递，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（闭桥），由于厚膜电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的电压信号6.5蓝宝石压力传感器蓝宝石压阻式压力传感器以机械性能高度稳定的人造蓝宝石为承压材料。其主要特点是长期稳定性好，温度范围宽（允许介质温度－196～400℃），抗震动。主要用于介质温度特别低或特别高的场合及航天、航空和军事用途。7.压力传感器的主要参数

非线性、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性7.2术语和定义

7.1静态特性的主要技术指标有：量程的计算公式如下：XFS=Xmax-Xmin式中：XFS——量程，Pa；Xmax——测量范围上限值，Pa；Xmin——测量范围下限值，Pa。量程（XFS）满量程输出的计算公式如下：YFS=Ymax-Ymin式中：YFS——满量程输出值，V；Ymax——工作特性所决定的最大输出值，V；Ymin——工作特性所决定的最小输出值，V。满量程输出（YFS）线性的计算公式如下：ξL=±(ΔYL)max×100%YFS式中:ξL——线性，%；(ΔYL)max——实际平均特性曲线相对平移端基直线的最大偏差，V。线性（ξL）回差的计算公式如下：ξH=│(ΔYH)max│×100%YFS式中：ξH——回差，%；(ΔYH）max——实际正行程平均特性曲线相对实际反行程平均特性曲线的最大偏差，V。回差（ξH）灵敏度采用下式计算：Sv=1000×Yf.S/Ui式中：Sv—灵敏度，mV/V；Ui—试验时测得的激励电源电压值，V。灵敏度（Sv）计算公式如下：DO=│ΔY0│max×100%/TYf.S

式中：DO——零点漂移，%/h(或%/d)；│ΔY0│max——试验时间内的零点输出值的最大差值。T——试验时间。零点漂移（DO）计算公式如下：DFS=│ΔYFS│max×100%/TYf.S0rs——量程漂移，%/h(或%/d)；│ΔY0│max——试验时间内的满量程输出值的最大差值。量程漂移（DFS）零点温漂（γ）γ=YO（t2）-yO（t1）×100%YFS·（t2-t1）式中：γ——零点温漂，%/℃；t1——试验前的室温温度，℃；t2——试验时的高温或低温温度，℃；yO（t1）——室温下测得的零点输出值（V）；yO（t2）——试验高温或低温下测得的零点输出值（V）。量程温漂（β）β

=yFS（t2）-yFS（t1）×100%YFS·（t2-t1）式中：β——量程温漂，%/℃；yFS（t1）——室温下测得的满量程输出值，V；yFS（t2）——试验高温或低温下测得的满量程输出值，V。标准电流输出二线制4～20mA三线制0～10mA标准电压输出0～5V；1～5V；0.5～4.5V无线与智能输出无线总线智能8.压力变送器产品8.1公司现有主要产品:8.2一种典型的压力变送器结构压力变送器：压力传感器（芯体）、接头、压环、外壳、调理电路、电器连器、导线等。螺纹接口：M20×1.5；M12×1、74°锥；G1/2；G1/4；NPT1/2；NPT1/4R1/2；R1/4等等液位变送器：压力传感器（芯体）、液位变送器壳体、调理电路、电缆投入式，安装时，法兰式，插入式等等8.3压力变送器组成8.4产品命名规范代号产品大类ZPM液位ZLM液位ZFM流量ZTM温度ZSB显示仪表ZDQ采集模块ZPM210ZPM218压力传感器ZPM310ZPM312ZPM3400压力变送器ZPM331ZPM33压力变送器ZPM3910ZPM3912高温压力变送器ZPM3610ZPM