壓力傳感器的選擇與應用

壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，在實際應用中，應根據具體的使用場合、條件和要求，選擇較為適用的傳感器，做到經濟、合理。
一、壓力傳感器的主要性能參數
１．額定壓力范圍
額定壓力范圍是滿足標準規定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規定工作特性的壓力范圍。在實際應用時傳感器所測壓力在該范圍之內。
２．最大壓力范圍
最大壓力范圍是指傳感器能長時間承受的最大壓力，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使用也不會被損壞。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，傳感器輸出與壓力之間直線關系的最大偏離。
５．壓力遲滯
為在室溫下及工作壓力范圍內，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時，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償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于施加了溫度補償，精度進入額定范圍內的溫度范圍。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、壓力傳感器應用實例
１．應變片式壓力傳感器的壓力變換電路
應變片式壓力傳感器由于用途和壓力量程等的差異，故銷售產品有各種各樣的結構。例如，隔膜型構造的產品，感受壓力的膜片上粘貼應變片，檢測壓力使阻值發生變化。實際壓力傳感器是由應變片連成的惠斯登電橋，如圖1所示，其中加入了各種補償電阻。R1-R4是應變片電阻，通常為350 和 與壓力無關。 是調整電橋平衡電阻，通常為1 左右。 是零位溫度特性的補償電阻，通常小于1 。 為補償靈敏度溫度特性的電阻，通常為 ，也有取 加入的。 為調整額定輸出的電阻，通常為數K 。 為輸入電阻值調整電阻，通常為數K 。
用壓力傳感器進行測量和控制壓力，電橋的輸出電壓僅為MV級，難以直接使用，需設計一個信號調理電路對傳感器信號進行處理放大。信號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端加負電壓，則D端可得正輸出電壓，而B端可得負輸出電壓。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 不可避免地會存在偏差，故在沒有加壓力的狀態下就有輸出電壓存在，通常這個數值有 左右。采用圖3所示的簡單電路，即可進行零位調整，但這樣會影響溫度特性，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，此時放大電路的輸入電壓（即電橋輸出電壓）為：
如周圍環境溫度變化 時，使輸出電壓 的變化控制在 額定輸出以內，則容許放大電路的輸入換算成漂移為 。通過選擇 和 的失調電壓溫度系數的一致性，這個數值是比較容易實現的。
若輸出電壓為5V，則增益可600倍。為使輸出級和零位調整電路的漂移影響變小，則必須使初級分擔的增益增大。
圖2是電源電太為 的實例。在檢測壓力時，因負壓為 ，所以，根據使用目的，也可以使用單一電源。

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




2．數字式壓力測量儀
數字式壓力測量儀是選用摩托羅拉MPX700DP壓差傳感器，設計成的測量和顯示表壓、真空（負壓）或差壓的壓力測量裝置。
（1）傳感器的基本結構和特性
圖4所示為壓力傳感器硅片的俯視圖，應變電阻成對角狀置于膜片邊緣。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償。

MPX700DP傳感器的電源電壓為3V，在任何情況下不要超過6V。當壓力端口的壓力高于真空端口的壓力時，出現在2，4端的壓差電壓為正。當采用3V電源供電時，標稱滿量程電壓輸出為60MV。
當零壓力加于傳感器上時，仍存在一些輸出電壓，這個電壓稱為零點偏差。對于MPX700系列傳感器，零點偏差電壓在0-35MV范圍內。零點偏差電壓可由合適的儀表放大器通過調零解決。輸出電壓隨輸入壓力而線性變化。
（2）溫度補償
輸出電壓受環境溫度的影響，為此需進行一定補償。溫度補償的方法較多，最簡單的方法是在傳感器與電阻之間串聯電阻。圖5所示為數字測量儀電路原理圖，其中R5和R13為溫度補償電阻，在0-80 的溫度范圍內可獲得滿意的補償效果。由于傳感器的橋驅動電壓要求為3V左右，所以在電路串聯電阻后，既起到溫度補償的效果，又可對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系（成比例），所以15V的電壓務必穩定。在很多應用中，一般15V穩壓芯片均可提供所需的穩定電源電壓。
用串聯進行補償時，其中一個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，補償電阻將為1431-1967。如果需要補償的量大于 或使用溫度低于80 ，那么400-500 中的任何一個值都可用于對補償電阻的換算。
在圖5的電路中，溫度補償網絡由兩個電阻組成，以使傳感器2，4端的靜態接近模擬和數字電源電壓（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時為600MV）進行放大以驅動后續的電路。另外，放大器還提供零壓力情況下傳感器零點偏差電壓。整個電路如圖5所示。為了上述目的，電路采用了3個運算放大器（均采用LM324）。具有高輸入阻抗的運放IC 和IC 可保證不會增加基本傳感器的負載。
放大器的增益可通過電位器R6進行調節，以滿足滿量程時應達到的輸出。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R為無窮大時，增益的最小值為2，放大器可提供100或更高的增益（通過調整R6，R7）。但在這種應用中，放大器增益需限制在2。4—5。3之間，以適應傳感器的滿量程范圍。
分壓器由電阻R15、R16和R17構成，以提供IC 的反向輸入端的可調電壓。由于 的增益小1，故此電壓經 后，幅度減小。然后再將其加到A/D轉換器上，這樣可減小由于傳感器誤差電壓帶來的不良影響，同時也可以使當壓力為零時，顯示裝置相應顯示00。放大器的差分輸出以自LM324的7腳和8腳。輸出信號經A/D轉換器以形成相應的數字輸出。
（4）A/D轉換器
A/D轉換器電路采用一塊高性能的3位半A/D轉換器芯片（），它包含了全部轉換所需的實際器件，將運算放大器差分輸出的模擬電壓轉換成相應的數字量。顯示部分采用2塊LCD顯示器。
IC2內有7段數字譯碼器、顯示驅動電路、頻率產生器、參考電壓和時鐘。芯片可直接驅動3位半的LCD，而不需要多路選擇式的顯示方式。只是這種應用時，LCD的最高位和最低數字不能補利用。但如果需要較大的范圍或分辯率時，未使用的芯片端口可再連接一位半的附加數字顯示位。
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可達到滿量程輸出（2000個計數值）。在這種應用中，分壓網絡由R2，R3和R4組成，通過對5V電壓分壓以提供合適的參考電壓（238MV）。當壓力為100PIS時，應出現最大數字顯示（即計數值為1000時對應的值，也就是A/D轉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。當壓力超過100PSI時，低兩位數字被讀出并予顯示。
IC2還可以對模擬輸入的正和負做出響應，由下而上0腳產生相應的極性指示。如果需要的話，電路可用于正、負不同的壓力測量，用20腳的極性輸出指示負壓力。
在圖5電路中，IC2的3 位驅動能力只用了2位。如果換成 位的LCD顯示器，壓力讀數的分辯率可增加10倍。另外，100PSI內的任何輸入壓力或大于100PSI的輸入壓力將導致最高位的“1”字被顯示出來。
（5）電路裝調及壓力連接
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。為了保證穩定，除R5，R11和R8外，均應使用金屬膜電阻。
用于壓力測量時，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，則使用端口P2，同時相反的端口開放（即接入大氣壓）
當該裝置用于測量壓差時，兩個端口均要用到。當端口P1的壓力高于端口P2的壓力時，壓力讀數為正，其值為兩端口壓力差。同時A/D轉換器的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，則壓力管有可能會突然脫落。
（6）校準
電路的校準包括零點校準（R16）和滿量程校準（R6）兩個方面。
校準時，需要壓力可達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，所以電路校準必須使用標準15V電源。任何電源的變化都會引起校準誤差。當啟動測量裝置后，在零壓力時，通過調節R16，使輸出顯示值為00。注意：當R16調0的任何一邊時，讀數都會偏離00。
將傳感器接入壓力源。使用已知精度的壓力儀表，調節壓力源使其指向100PSI。調節R6使其顯示值為00（即表示100PSI）。由于A/D轉換器能夠顯示超過100的數字，故調節R6可很容易使顯示值位于01-99以內。
去掉壓力源，重新檢查調零電位器，再次進行調零校準。再次檢查100PSI時是否顯示00。這樣便完成了電路的校準。
當壓力在0-100PSI之間時，數字壓力測量儀可通過參考壓力表的對比進行檢查。注意，當壓力超過100PSI時，仍可進行顯示，但精度已大為降低。






溫度傳感器選用時需考慮的問題

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容更多。首先，必須選擇傳感器的結構，使敏感元件的規定的測量時間之內達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。實際上，要確保傳感器指示的溫度即為所測對象的溫度，常常是很困難的。
在大多數情況下，對溫度傳感器的選用，需考慮以下幾個方面的問題：
（1）被測對象的溫度是否需記錄、報警和自動控制，是否需要遠距離測量和傳送。
（2）測溫范圍的大小和精度要求。
（3）測溫元件大小是否適當。
（4）在被測對象溫度隨時間變化的場合，測溫元件的滯后能否適應測溫要求。
（5）被測對象的環境條件對測溫元件是否有損害。
（6）價格如保，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，但當整個系統的使用壽命比探頭的預計使用壽命長得多時，或者預計會相當頻繁地拆卸出探頭以校準或維修卻不能在容器上開口時，可在容器壁上安裝永久性的熱電偶套管。用熱電偶套管會顯著地延長測量的時間常數。當溫度變化很慢而且熱導誤差很小時，熱電偶套管不會影響測量的精確度，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，而且導熱誤差又可能增加時，測量精確度就會受到影響。因此要權衡考慮可維修性和測量精度這兩個因素。
熱電偶或熱電阻探頭的全部材料都應與可能和它們接觸的流體適應。使用裸露元件探頭時，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、局部保護罩等）的適應性，使用熱電偶套管時，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氣體時，通常是密封的，至少要有涂層，裸露的電阻元件不能浸入導電或污染的流體中，當需要其快速響應時，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的流體中，通常需有某種殼體罩住以進行機械保護。
當管子、導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，可通過在外壁鉗夾或固定一個表面溫度傳感器的方法進和測量。為了確保合理的測量精度，傳感器必須與環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設計與安裝使壁對敏感元件的熱傳導達到到最佳狀態。
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，必須對傳感器及其安裝方法進行適當的選擇以便將這種干擾減到最小程度。理想的傳感器應該完全用與所測固體相同的材料制造并與材料形成一體，這樣測量點或其周圍的結構特征就不會以任何方式改變。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，也包括薄膜和細導線型的熱電偶。用可埋入的小傳感器或帶螺紋的鑲嵌件進行表面玉的溫度測量，應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。鑲嵌件的材料應與所測的材料相同，至少要非常相似。使用墊圈式傳感器時，必須注意確保墊圈所能達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測量范圍。當測量范圍預計在總量程之內，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。如果測量范圍相當大時，熱電偶更適用。最好將冰點也包括在此范圍內，因為熱電偶的分度表是以此溫度為基準的。已知范圍內的傳感器線性也可作為選擇傳感器的附加條件。
響應時間通常用時間常數表示，它是選擇傳感器的另一個基本依據。當要監視貯槽中溫度時，時間常數不那么重要。然而當使用過程中必須測量振動管中的溫度時，時間常數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間常數相當小，而浸入式探頭，特別是帶有保護套管的熱電偶，時間常數比較大。
動態溫度的測量比較復雜，只有通過反復測試，盡量接近地模擬出傳感器使用中經常發生的條件，才能獲得傳感器動態性能的合理近似。