压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应而构成。

什么是压阻式压力传感器

 

压阻式压力传感器

 

采用单晶硅片为弹性元件,在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺,在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻,并将电阻接成桥路,单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时,单晶硅产生应变,使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化,再由桥式电路获相应的电压输出信号。

 

压阻式压力传感器的工作原理

压阻式传感器是利用晶体的压阻效应制成的传感器。当它受到压力作用时,应变元件的电阻发生变化,从而使输出电压发生变化。一般压阻式传感器是在硅膜片上做成四个等值的电阻的应变元件,构成惠斯通电桥。当受到压力作用时,一对桥臂的电阻变大,而另一对桥臂电阻变小,电桥失去平衡,输出一个与压力成正比的电压。由于硅压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变的灵敏系数大 50~100 倍,故硅压阻式压力传感器的满量程输出可达几十毫伏至二百多毫伏,有时不需要放大就可直接测量。另外压阻式传感器还有易于微型化、测量范围宽、频率响应好(可测几千赫兹的脉动压力)和精度高等特点。但在使用过程中,要注意硅压阻式压力传感器对温度很敏感,在具体的应用电路中要采用温度补偿。目前大多数硅压阻式传感器已将温度补充电路做在传感器中,从而使得这类传感器的温度系数小于土 0.3%的量程。

 

压阻式压力传感器可以由恒压源或恒流源供电。若传感器四个桥臂的电阻相等(均为 R),当有压力作用时,两个桥臂随温度的变化量为 ARr,经推导可以得出以下结论:使用恒压源供电时,电桥的输出受 ARIR、电桥电压矿和 ART 的影响.即增加了温度误差。而使用恒流源供电时,电桥输出只受电桥电流,和 AR 的影响。所以一般均采用恒流源给传感器供电。

 

图 3-16 是压阻式传感器的典型应用电路。该电路由 A,、VDi、VT 和 Rl 构成恒流源电路对电桥供电,输出 1.5mA 的恒定电流。

 

工作原理

 

为了保证测量电路的精度,在测量电路中设置了由 VD3 和 A4 组成的温度补偿电路,其原理是利用硅二极管对温度很敏感而作为温度补偿元件。一般二极管的温度系数为 -2mV/℃。调节 w.可获得最佳的温度补偿效果。

 

运放 A3 和 A4 组成两级差动放大电路,放大倍数约为 60,并由 W2 来调节增益的大小。

若传感器在零压力时,测量电路的输出不为零,这时要在电路中增加零输出调整电路。如图 3-16 所示,调节 W2 的大小,以达到使传感器在零压力时输出为零。两表面出现电荷,当去掉外压力时,电荷立即消失,这种现象就是压电效应。压电加速度传感器常见的结构形式有压缩型、剪切型、弯曲型和膜盒式等几种。表 3-2 和表 3-3

 

分别给出了 PV-96 和 GIA 型压电式加速度传感器的特性。

压电式加速度传感器是容性、灵敏度很高的传感器,它常配以电荷放大器和电压放大器。其电路如图 3-17 所示。

 

 

工作原理

 

电荷放大器频带宽,增益由负反馈电路中的电容 Cf 决定,输出电缆的电容对放大器无影响。输出电压为 Uo=-q/Cf。


电压放大器信号从同相端输入,实际就是同相比例放大器。其输出电压 Uo 为
Uo=Sq/(Ca+Cq)式中,Sq 为电荷灵敏度;Ca 为传感器电容;Cq 为电缆电容。由于输出电压易受输出电缆电容的影响,因此常将放大器置于传感器内。


在实际应用时,主要采用电荷放大器。由于传感器在过载时,会有很大的输出,所以在放大器的输入需加保护电路。

 

压阻式压力传感器的作用

压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。

例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布,测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中,使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达 500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达 0.05%的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中,压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅 2.36 毫米,固有频率高达 300 千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22%。

 

在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到 10 微米,外径仅 0.5 毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。图 3 是一种用于测量脑压的传感器的结构图。压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。

 

此外,在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展,压阻式传感器的应用还将迅速发展。