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- 詳談傳感器的元老-----壓力傳感器
- 來源：物聯(lián)網(wǎng)空間站 作者：大新 發(fā)表于 2019/10/16
傳感器技術(shù)是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，發(fā)展迅猛，同計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱為信息技術(shù)的三大支柱，具有巨大的應(yīng)用潛力，擁有廣泛的開發(fā)空間，發(fā)展前景也是十分廣闊。
傳感器的種類也非常的多，從1883年全球第一臺(tái)傳感器被發(fā)明，到如今，傳感器的種類已是成千上萬。在眾多的傳感器中，壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。
01壓力傳感器簡介
信息社會(huì)里，人們?yōu)榱舜龠M(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的向前發(fā)展，需要用傳感器來檢測(cè)許多非電量信息，如壓力、流量等等。從氣壓計(jì)等簡單的指示測(cè)量到航空航天等特殊條件和環(huán)境下的高可靠、高精度壓力監(jiān)測(cè)控制，其關(guān)鍵部件的壓力傳感器起決定性作用。
壓力傳感器(Pressure Transducer)通常由壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成，是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。
傳統(tǒng)的壓力傳感器以機(jī)械結(jié)構(gòu)型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出，所以被最常應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體壓力傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。特別是隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體傳感器向著微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。
隨著科技的發(fā)展對(duì)壓力傳感器的要求一直在變化，壓力傳感器也不斷的在順勢(shì)更迭，當(dāng)今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)，它的應(yīng)用前景非常的廣泛。
02壓力傳感器的種類以及原理
壓力傳感器的種類很多，根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)可以分成不同種類。本文介紹一下最為常見的五種壓力傳感器：
1、壓阻式力傳感器
電阻應(yīng)變片是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成部分之一。電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。
壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位），當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ艚o電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，這樣傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)輸出。電橋檢測(cè)出電阻值的變化，經(jīng)過放大后，再經(jīng)過電壓電流的轉(zhuǎn)換，變換成相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，即產(chǎn)生了與輸入電壓成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的輸出信號(hào)。
2、陶瓷壓力傳感器
陶瓷壓力傳感器基于壓阻效應(yīng)，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋，由于壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓,也成正比的電壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0/3.0/3.3mV/v ,等，可以和應(yīng)變式傳感器相兼容。
3、擴(kuò)散硅壓力傳感器
擴(kuò)散硅壓力變送器是把帶隔離的硅壓阻式壓力敏感元件封裝于不銹鋼殼體內(nèi)制作而成。它能將感受到的液體或氣體壓力轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)對(duì)外輸出。
擴(kuò)散硅壓力傳感器工作原理也是基于壓阻效應(yīng)，利用壓阻效應(yīng)原理，被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，利用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。廣泛應(yīng)用于供/排水、熱力、石油、化工、冶金等工業(yè)過程現(xiàn)場測(cè)量和控制。
4、藍(lán)寶石壓力傳感器
利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅-藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無與倫比的計(jì)量特性。因此，利用硅-藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性;藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng);另外，硅-藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無p-n漂移。
5、壓電式壓力傳感器
它的敏感元件是用壓電材料制作而成的。壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，那么何為壓電效應(yīng)呢？壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)解釋為：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。逆壓電效應(yīng)解釋為：當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。
壓電壓力傳感器就是當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)表面形成電荷，電荷通過電荷放大器、測(cè)量電路的放大以及變換阻抗之后，就會(huì)被轉(zhuǎn)換為與受外力正比關(guān)系的電量輸出。從中可以知道必須外力作用下，壓電壓力傳感器才能工作，所以它也只能應(yīng)用在動(dòng)態(tài)測(cè)量中。
03壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例
1、壓力傳感器在稱重系統(tǒng)中的應(yīng)用
在工業(yè)控制技術(shù)的商用稱重系統(tǒng)中，壓力傳感技術(shù)越來越多的被應(yīng)用。在很多壓力控制過程中，經(jīng)常需要采集壓力信號(hào)，轉(zhuǎn)換成能夠進(jìn)行自動(dòng)化控制的電信號(hào)。以壓力傳感器制作的壓力控制裝置一般稱為電子稱重系統(tǒng)，電子稱重系統(tǒng)作為各種工業(yè)過程中物料流動(dòng)的在線控制工具顯得越來越重要。電子稱重系統(tǒng)既能組合在產(chǎn)品制造過程中優(yōu)化生產(chǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能把有關(guān)生產(chǎn)過程中物料流動(dòng)的數(shù)據(jù)加以采集并傳送到數(shù)據(jù)處理中心，作為在線庫存控制和財(cái)務(wù)結(jié)算之用。
在稱重的過程自動(dòng)化控制中，要求壓力傳感器不僅能感知重力信號(hào)，而且其性能必須可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性要好、抗干擾性能要好;壓力傳感器提供的信號(hào)經(jīng)檢測(cè)系統(tǒng)可以直接顯示、記錄打印、存儲(chǔ)或用于反饋調(diào)節(jié)控制。通過集成技術(shù)將壓力傳感器與測(cè)量線路集成在-起，使得整個(gè)裝置的體積大大減小;另外屏蔽技術(shù)的發(fā)展，也將使得稱重壓力傳感器的抗干擾能力得到保障，使得稱重過程的自動(dòng)化控制程度進(jìn)一步得到提高。
2、壓力傳感器在石化行業(yè)中的應(yīng)用
壓力傳感器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用最多的測(cè)量裝置之一。在大型的化工項(xiàng)目中， 幾乎包含了所有壓力傳感器的應(yīng)用:差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠(yuǎn)傳法蘭式壓力傳感器。幾乎石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求主要集中在可靠性、穩(wěn)定性和高精度3個(gè)方面。其中，可靠性和許多附加需求，如，量程比、總線類型等，依賴變送器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工工藝水平和結(jié)構(gòu)材料。壓力變送器的穩(wěn)定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩(wěn)定性和測(cè)量精度保證。
與壓力變送器的測(cè)量精度相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的測(cè)量精度和響應(yīng)速度，與壓力變送器的穩(wěn)定性相對(duì)應(yīng)的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長期穩(wěn)定性。石化行業(yè)對(duì)壓力傳感器的需求就體現(xiàn)在測(cè)量精度、快速響應(yīng)、溫度特性和靜壓特性、長期穩(wěn)定性4個(gè)方面。
3、壓力傳感器在水處理中的應(yīng)用
我國的環(huán)保水處理行業(yè)，近些年得到快速的發(fā)展，并且未來前景廣闊。在供水和污水處理工藝中有賴于使用壓力傳感器為系統(tǒng)保護(hù)和質(zhì)量保證提供重要控制和監(jiān)測(cè)手段。
4、壓力傳感器在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用
隨著醫(yī)療設(shè)備市場的發(fā)展，對(duì)壓力傳感器在醫(yī)療行業(yè)中使用提出了更高的要求,如精度、可靠性、穩(wěn)定性、體積等都需要加以改進(jìn)。壓力傳感器在微創(chuàng)導(dǎo)管消融術(shù)和體溫傳感器測(cè)量中有著較好的應(yīng)用。
微創(chuàng)手術(shù)不僅可以減少手術(shù)部位的創(chuàng)傷，而且大大減輕患者的疼痛，恢復(fù)過程也很快。能達(dá)到這樣的要求，除了醫(yī)生的手術(shù)操作經(jīng)驗(yàn)之:外， 還與各種醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備�，F(xiàn)在很多用于此操作的醫(yī)療器械都是微小的，像各種各樣的導(dǎo)管和消融設(shè)備。導(dǎo)管包括熱稀釋導(dǎo)管、尿道管、食管導(dǎo)管和中心靜脈導(dǎo)管和顱內(nèi)壓力容器等,它們除具有導(dǎo)電功能，導(dǎo)管在溫度或壓力傳感器，患者的病理檢查和微創(chuàng)手術(shù)的順利進(jìn)行提供了重要保障,溫度和壓力參數(shù)是成功操作的關(guān)鍵參數(shù)。
傳感器能夠放置在靠近患者的位置對(duì)于許多應(yīng)用來說非常關(guān)鍵，比如在透析應(yīng)用中，準(zhǔn)確地測(cè)量透析液和靜脈壓力就非常重要。壓力傳感器必須能夠精確地監(jiān)測(cè)透析液和血液的壓力以確保其維持在所設(shè)定的范圍內(nèi)。
此類型應(yīng)用需求傳感器必須外形小巧且能夠耐受液體介質(zhì)。在許多情況下，與液體介質(zhì)不兼容的傳感器需要額外安裝部件來保護(hù)它，增加了產(chǎn)品的體積、費(fèi)用以及復(fù)雜性。液體介質(zhì)耐受力在監(jiān)測(cè)病人呼吸時(shí)顯得特別重要，因?yàn)榇颂幍膫鞲衅鞅仨毮軌虺惺懿∪说目人院秃舫龅某睗窨諝狻?/p>
04壓力傳感器的產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)成
傳感器創(chuàng)業(yè)鏈大致可分為研究與開發(fā)→設(shè)計(jì)→制造→封裝→測(cè)試→應(yīng)用等環(huán)節(jié)。壓力傳感器的上游原材料主要有敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等電子元件，其下游主要是電子通信、航空、汽車、自控生產(chǎn)、家電等領(lǐng)域。我們來看一張圖：
上游技術(shù)壁壘高，企業(yè)群龍無首
壓力傳感器產(chǎn)業(yè)的上游是由生產(chǎn)其原材料的企業(yè)組成。傳感器是屬于應(yīng)用型的產(chǎn)品，它必須結(jié)合應(yīng)用場景才能發(fā)揮其作用，所以下游應(yīng)用企業(yè)的發(fā)展和需求直接影響上游企業(yè)的布局。
雖然傳感器技術(shù)在不斷的進(jìn)步，但由于我國傳感器產(chǎn)業(yè)起步較，導(dǎo)致我國傳感器與傳感器技術(shù)多依賴進(jìn)口。就壓力傳感器而言，我國內(nèi)業(yè)界理論水準(zhǔn)與國際水平并無多大差距，但基礎(chǔ)技術(shù)，包括材料技術(shù)、制造設(shè)備、測(cè)試技術(shù)和可靠性研究等，與國際水平還是有一定差距，這些因素也直接導(dǎo)致了上游企業(yè)的發(fā)展緩慢，技術(shù)是發(fā)展的第一生產(chǎn)力，但大多先進(jìn)技術(shù)都掌握在外國企業(yè)手中，壓力傳感器屬于高端產(chǎn)品技術(shù)壁壘高，國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)能生產(chǎn)。大多是中小型企業(yè)，從傳感器創(chuàng)業(yè)鏈來看，大多數(shù)企業(yè)都是從制造開始，做著類似代工的工作。
但隨著國家政策對(duì)傳感器產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重視，國家將鼓勵(lì)、支持和培育未來我國也將出現(xiàn)產(chǎn)值超 10 億元的行業(yè)龍頭企業(yè)。
下游應(yīng)用場景百花齊放，造就千萬機(jī)遇
在基礎(chǔ)科學(xué)研究中，傳感器具有突出的地位。例如，在開拓新能源新材料等具有遠(yuǎn)望作用的各種尖端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場和超弱磁場答。顯然，要獲取大量人類感官無法獲取的信息，沒有相應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)研究對(duì)象的信息獲馭存在困難，而些新機(jī)理和尚靈敏度的檢測(cè)儀器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科抒發(fā)的先驅(qū)。
在以前壓力傳感器主要應(yīng)用在增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機(jī)，壓縮機(jī)，空調(diào)制冷設(shè)備等領(lǐng)域。工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道、家電等行業(yè)。
現(xiàn)如今，處于風(fēng)口的物聯(lián)網(wǎng)帶來的整個(gè)生態(tài)都將會(huì)是壓力傳感器的潛在應(yīng)用市場。物聯(lián)網(wǎng)興起了一個(gè)智能化時(shí)代，隨之而來被大眾所知的概念像智慧城市、智慧交通、智慧工業(yè)、智能家居、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等等，這些領(lǐng)域的發(fā)展全都離不開傳感器這個(gè)助推器，壓力傳感器也必定得到更加廣的應(yīng)用場景和更強(qiáng)的需求。
不論是壓力傳感器上游企業(yè)還是下游企業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)帶來百花齊放的應(yīng)用場景，都將成為一個(gè)非常大的機(jī)遇，在機(jī)遇爆發(fā)之時(shí)是否能抓住是企業(yè)發(fā)展的方向。
05壓力傳感器應(yīng)往哪走？
小型化：目前市場對(duì)小型壓力傳感器的需求越來越大，這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下并且只需要很少的保養(yǎng)和維護(hù),對(duì)周圍的環(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個(gè)重要器言中收集資料,不影響人的正常生活。如美國Entran公司生產(chǎn)的量程為2 ~ 500PSI的傳感器直徑僅為1.27mm,可以放置在人體的血管中而不會(huì)對(duì)血液的流通產(chǎn)生大的影響。
集成化：壓力傳感器已經(jīng)越來越多的與其它測(cè)量用傳感器集成以形成測(cè)量和控制系統(tǒng)。集成系統(tǒng)在過程控制和工廠自動(dòng)化中可提高操作速度和效率。
智能化：由于集成化的出現(xiàn)，在集成電路中可添加-些微處理器使得傳感器具有自動(dòng)補(bǔ)償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。廣泛化壓力傳感器的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是正從機(jī)械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴(kuò)展例如:汽車元件、醫(yī)療儀器和能源環(huán)境控制系統(tǒng)。
標(biāo)準(zhǔn)化：傳感器的設(shè)計(jì)與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO 國際質(zhì)量體系;美國的ANSI、ASTM標(biāo)準(zhǔn)、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標(biāo)準(zhǔn)。
06總 結(jié)
壓力傳感器作為傳感器中的元老，它有著非常廣泛的應(yīng)用市場和相對(duì)完善的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累。壓力傳感器只是傳感器中的一種，隨著萬物互聯(lián)的不斷構(gòu)建，整個(gè)傳感器行業(yè)在未來的應(yīng)用場景都有著非常大的想象空間，怎么去定位，怎么去投入研究，怎么對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)型，是企業(yè)應(yīng)該根據(jù)整個(gè)市場分析來做出思考和判斷的。
通過這篇文章，對(duì)壓力傳感器以及它的產(chǎn)業(yè)鏈做了一個(gè)全面的了解，往后看是從歷史中吸取經(jīng)驗(yàn)，往前看是從趨勢(shì)中確定方向抓住機(jī)遇。
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