壓力傳感器的工作原理,壓力傳感器介紹

　　壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、工具機、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。

　　1.壓力測量介紹

　　絕對壓力傳感器，差壓力傳感器，表壓力傳感器。

　　關於壓力的量測，可以分成三類：

　　（1） 絕對壓力的測量

　　（2） 表壓力的測量

　　（3） 差壓力的測量

　　絕對壓力所指的就是對應於絕對真空所測量到的壓力。

　　表壓力所指的就是對應於地區性大氣壓力所測量的壓力。

　　差壓力就是指兩個壓力源間的壓力差值。

　　如果有一壓力為絕對真空，則差壓力就等於絕對壓力;如果壓力為地區性大氣壓力，則差壓力就等於「表壓力」。

　　壓力的測量單位為巴司卡（pascal）（簡寫pa），它就相當於牛頓/米2。在工業應用上，還有其它不同的壓力單位;如Bar，psi（磅/吋2），大氣壓力，mmHg（水銀柱的上升高度以mm表示）以及cmH2O（水柱的上升高度以cm表示）。

　　對於液體及氣體壓力的測量，可以使用各種不同的壓力傳感器。所謂「傳感器」意指它是一種能量轉換裝置，從一個系統中吸收能量，在將此能量已不同的形式（例如電氣）傳送到另一個系統。所以，亦有人稱之為「轉換器」如同壓力的測量可以分成三類一般，壓力轉換器也可以此三類來區分：

　　（a） 絕對壓力傳感器：此裝置包含有參考真空，以做為環境的絕對壓力的測量或受接壓力源的測量。

　　

　　（b） 差壓力傳感器：最為兩個管接壓力源間之壓力差值的測量。

　　（c） 表壓力傳感器：它也是一種差壓力轉換器，但是，其壓力源一個為地區性大氣壓力，另一個則為管接的壓力源。

　　2.壓力位移的轉換：

　　位移轉換介紹，電容式氣囊，氧化鋁膜片，半導體膜片，單晶式壓力傳感器

　　壓力位移之轉換

　　在壓力傳感器中，通常是使用膜片（或是波狀薄膜）來將壓力P（t）轉換成機械的移動量X（t）。膜片（如圖）

　　

　　是由一金屬（或是橡皮）盤所組成，在將金屬盤的邊緣固定到堅固的支撐物上。圓形的波狀都與膜片的外部邊緣成同心圓。被壓縮的液體接觸到膜片的一端，使得膜面以比例於其內壓力的彎曲變形。兩個波狀的金屬膜片結合在一起，形成一個空氣囊（如圖）。

　　

　　假如空氣囊內部的空腔包含有真空，即可用以測量絕對壓力;很明顯地，待測壓力是加至此組件的兩端。如果需用更大的彎曲變形，可以將更多的膜片組件串聯使用。為了測量介於兩個可變壓力間之差值，必須將其中的一個壓力加到空氣囊的內部。其它用以轉換壓力成移動量的機械是風箱（bellow）與布爾弟 （Bourdon tube）。近年來，隨著單晶式壓力傳感器的發展，可以同時完成轉換功能及壓力傳感器功能裝置已被引進，這些是：

　　1. 電容式氣囊

　　電容式氣囊：包含兩個用以支撐電容極片的陶瓷組件，並接合在一起以形成一空腔，而產生真空。

　　

　　2. 氧化鋁膜片（用於壓電轉換器）

　　氧化鋁膜片（用於壓電轉換器）」在壓電性材料中支撐四個橋式連接的電阻。

　　

　　3. 半導體膜片（壓阻式）

　　半導體膜片：由矽單元所組成（半導體轉換器），在其上利用擴散方法以形成電阻。

　　

　　單晶式壓力傳感器

　　如先前所述的，單晶式傳感器就是那些集壓力感測與轉換作用於單一組件上的壓力傳感器。壓力-移動量-電壓之間的轉換是以下列方法中之一種來完成：

　　（a） 電容式壓力傳感器：待測壓力使得陶瓷膜片彎曲情形，如此就能改變組件的電容量，借著加入必須的電子電路，儘可能將此變形與壓力之變化互成關係。因此電容量的變化即比例於壓力的變化。（b）壓阻式或「厚膜」壓力傳感器：這種轉換器的動作原理乃應用壓阻效應，此當材料受到變形時，它的電阻會隨著改變。使用厚膜技術將四個電阻連接成惠斯登電橋的型式，安置於氧化鋁（Al2O3）膜片上。當待測壓力促使膜片變形時，電橋的差電壓輸出是隨著改變。

　　（c） 半導體壓力傳感器：此種裝置也是應用壓電效應與電橋電阻形式獲得量測結果，在矽支撐物上利用擴散的方法，用以產生膜片，包含電橋電阻的單元以靜電處理固定在支撐玻璃上。所以，它就與外界形成機械性的隔離。當矽質膜片偏向時，電橋的輸出就隨著改變。（d） 壓電式壓力傳感器：這種轉換器的動作原理乃應用壓電效應，此指當許料受到壓迫（力或壓力）時會產生電壓的性質。這些性質被用來做高頻時的壓力測量以及聲音位準的測量（在此種應用上，最有名的為「晶體式麥克風」）。

　　3.壓力傳感器的規格與性能比較

　　★ 由於有各種不同型態的壓力（絕對壓力、差壓力、表壓力），需要利用傳感器來做測量。所以了解那些會影響到傳感器使用的其它外圍特性是很重要的一件事。因此，對於明了接觸到傳感器的待測物是為液體或氣體，就顯得很重要。做為流體測量所使用的傳感器，當待測流體有可能損壞傳感器時，其應用就不同於那些普通的傳感器。其它的重要的因子是測量範圍（以bar、psi、Atm等單位來表示）。亦即，在能夠維持測量規格精確度要求下傳感器可以量測的壓力範圍。測量範圍可以是單極性（壓力或真空）或雙極性。

　　★ 「過壓力」（over pressure）或「試驗壓力」（proof pre-ssure）（ 傳感器可以接受而不招致損壞的最大壓力）在傳感器的選擇中相當的重要。對於操作溫度範圍的了解也很重要。待測的液體或氣體物質的溫度，絕不能超過傳感器的操作溫度範圍。

　　其它與溫度有關的外圍因子為溫度誤差。亦即，在測量規格的某一給定的精確度之內，溫度所能變動的範圍。另外一個因子為儲

　　存溫度。其它會影響轉換器選擇的因子為振動、熱疲乏與溫度等。最重要的特性為：線性度、靈敏度、穩定度、重複能力與遲滯性。

　　線性度：轉換器指示值與最佳直線間的偏移量。此參數通常是以額滿值得百分數來表示。

　　靈敏度：（或解析度），可產生一輸出信號值的最小輸入變動值。以每單位輸入的輸出信號大小來表示（mv/PSI）。

　　穩定度：當待轉換量（在固定的溫度下）在輸入端維持固定值時，傳感器所能維持輸出信號的能力。在某一給定範圍內的穩定度，通常是以額滿值得百分數來表示。

　　重複能力：在不同的時間內，相同的待轉換量出現在輸入端時，傳感器重新產生輸出信號的能力。重複能力通常是以額滿值得百分數來表示。

　　遲滯性：相同的壓力，分別以相反的方向加到傳感器，傳感器所指示之兩個讀值間的最大差值。

　　對於界面系統而言，較重要的因素有激勵電壓、F.S.O.、以及單位壓力的靈敏度。

　　激勵電壓：用以傳送功率給傳感器的電源電壓。

　　★ F.S.O.：（滿刻度輸出）在相關的壓力範圍之限制下，介於傳感器輸出電壓間的差值。

　　單位壓力的靈敏度：當壓力改變一個單位值時，輸出電壓的相對變化值。

　　★ 對於某些傳感器相關於滿刻度壓力的輸出電壓是以供給電壓的函數來定，此值以mv/v來表示。當滿刻度壓力加到傳感器且激勵電壓為一個單位值（伏特）時，傳感器所指示的輸出值（mv）。

　　傳感器的特性：

　　1.測量的型態：

　　（1）絕對壓力；（2）差壓力；（3）表壓力；

　　2.使用於：

　　（1）氣體；（2）液體；

　　3.測量的範圍；4.試驗壓力；5.操作溫度；6.振動；8.線性度；9.靈敏度；10.穩定度；11.重複能力；12.遲滯性；13.激勵電壓；14.F.S.O（滿刻度輸出）；15.單位壓力的靈敏度

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