PCB壓力傳感器介紹

壓電式壓力傳感器常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，一般不適用于靜態(tài)壓力的測(cè)量。動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量(典型應(yīng)用如湍流，爆炸，彈道和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等)需要用到有特殊功能的傳感器，包括快速響應(yīng)，外殼堅(jiān)固，高剛度，可擴(kuò)展量程和可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓力的能力。

PCB?生產(chǎn)和制造兩種類型的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，電荷型以及ICP?電壓型。電荷型壓力傳感器輸出高阻抗的電荷信號(hào)，ICP?電壓型傳感器特點(diǎn)是內(nèi)置集成放大電路，可以將高阻抗電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓輸出。

傳感器結(jié)構(gòu)

壓電型壓電傳感器有各種外觀尺寸和螺紋結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的壓力測(cè)量安裝要求。大多數(shù)傳感器使用石英晶體作為敏感元件，以保證操作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。石英晶體通常在殼體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)緊，以保證傳感器具有良好的線性度。電氣石是另外一種穩(wěn)定的天然壓電晶體，此類晶體用于需要測(cè)量體積靈敏度的傳感器中。如圖1為具有內(nèi)置電路的通用型壓力傳感器。

圖1 具有內(nèi)置電路的通用型壓力傳感器

極性

當(dāng)ICP?壓力傳感器受到一個(gè)正壓時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)正的電壓輸出。PCB?電荷型壓力傳感器的極性剛好相反。當(dāng)受到一個(gè)正壓時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)信號(hào)輸出。外部電荷放大器通常與電荷輸出傳感器一起使用，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)。電荷輸出型傳感器與電荷放大器一起組成的測(cè)試系統(tǒng)的輸出極性與ICP?傳感器的輸出極性是一樣的。當(dāng)然，我們也有反極性輸出的傳感器版本。

高頻響應(yīng)

大多數(shù)PCB?壓電型壓力傳感器中的石英晶體在堅(jiān)固的傳感器外殼內(nèi)采用壓縮式預(yù)緊，電氣石晶體采用無(wú)約束形式。這些設(shè)計(jì)使傳感器具有微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間和幾百赫茲的固有頻率，能夠最小化過(guò)沖或者振鈴現(xiàn)象發(fā)生的可能性。

圖2 靈敏度上升圖

壓力傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)高頻測(cè)量產(chǎn)生限制。靈敏度在傳感器接近固有頻率時(shí)開(kāi)始快速上升。靈敏度的上升情況如圖2所示。

通常傳感器靈敏度偏差低于5%范圍內(nèi)使用是可以接受的。而此時(shí)的高頻測(cè)量上限一般在接近傳感器固有頻率的20%左右。高頻響應(yīng)可能受激勵(lì)電流、電纜長(zhǎng)度和電纜電容的限制。

低頻響應(yīng)

電荷型壓力傳感器的低頻響應(yīng)取決于所使用的電荷放大器。放大器設(shè)置低頻響應(yīng)的放電時(shí)間常數(shù)（DTC）可以很長(zhǎng)或很短，這取決于使用電荷放大器的具體型號(hào)。一個(gè)較長(zhǎng)DTC允許更低頻的測(cè)量，較短的DTC會(huì)限制低頻響應(yīng)。

內(nèi)部的電阻和電容值決定了傳感器的放電時(shí)間常數(shù)和ICP?壓力傳感器的低頻響應(yīng)。放電時(shí)間類似一階R-C高通濾波器的作用，決定了傳感器的低頻響應(yīng)。另外，信號(hào)適調(diào)儀的DTC也應(yīng)該考慮在內(nèi)，它也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的低頻響應(yīng)。

典型的壓電式系統(tǒng)輸出

壓電式壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特點(diǎn)是AC耦合系統(tǒng)。重復(fù)的信號(hào)會(huì)衰減，直到原始基線上下區(qū)域達(dá)到相等。當(dāng)監(jiān)控事件的幅值出現(xiàn)波動(dòng)，輸出會(huì)在基線附近保持穩(wěn)定，同時(shí)正的區(qū)域和負(fù)的區(qū)域保持相等。圖3是一個(gè)AC交流信號(hào)波形。

在這個(gè)例子中，在一個(gè)穩(wěn)態(tài)脈寬和脈沖間隔為一秒的AC耦合壓力應(yīng)用，產(chǎn)生0-2V電壓輸出信號(hào)。其頻率保持不變但信號(hào)迅速衰減，直到信號(hào)在原始基線上下面積區(qū)域A=區(qū)域B，而且峰值相同。

圖3 AC交流信號(hào)波形

傳感器結(jié)構(gòu)

壓力傳感器的精密安裝對(duì)于精確測(cè)試是至關(guān)重要的。每次安裝前請(qǐng)確認(rèn)傳感器說(shuō)明書(shū)中的安裝尺寸圖，當(dāng)您有疑問(wèn)時(shí)，請(qǐng)聯(lián)系PCB?工程師取得詳細(xì)的安裝指南。使用精密的機(jī)加工設(shè)備來(lái)安裝螺紋孔，并且使用推薦的安裝扭矩。請(qǐng)使用PCB?傳感器提供的安裝硬件，我們還提供不同標(biāo)準(zhǔn)的螺紋適配器來(lái)簡(jiǎn)化一些傳感器的安裝。

對(duì)于自由場(chǎng)爆炸應(yīng)用，使用具有氣動(dòng)力外形的安裝可以最小化來(lái)自安裝支架或三腳架的反射而產(chǎn)生的不必要的影響。

許多壓力傳感器的敏感晶體一般位于傳感器底部的膜片處。如果壓力測(cè)量中傳感器這個(gè)部位受到側(cè)向載荷會(huì)使信號(hào)輸出失真。要避免異常的側(cè)向載荷應(yīng)力施加到傳感器的上半部分，這點(diǎn)也很重要。對(duì)傳感器上半部分可能會(huì)產(chǎn)生側(cè)應(yīng)力的原因包括：電纜對(duì)電氣接頭的直角拉緊力；在高橫向振動(dòng)的環(huán)境中，電纜使用一個(gè)非常重的適配器連接到小型的電氣接頭上。

在自由場(chǎng)爆炸測(cè)試應(yīng)用，壓力傳感器安裝到一個(gè)薄板上，當(dāng)壓力造成板面彎曲時(shí)，傳感器可能會(huì)承受側(cè)應(yīng)力，使用O型環(huán)安裝可以最小化這種影響。

齊平 vs 嵌入式安裝

板上或者墻上采用齊平安裝壓力傳感器，宜于減少湍流，避免空穴效應(yīng)，或避免室內(nèi)容積的增加。嵌入式安裝適宜于壓力傳感器膜片可能會(huì)受到超高瞬時(shí)溫度或者粒子對(duì)撞的應(yīng)用中。壓力傳感器采用嵌入式安裝將減低測(cè)量的高頻能力。這種安裝方式的空穴效應(yīng)通常會(huì)降低傳感器的共振頻率。如圖4典型的齊平安裝 。如圖5為典型的嵌入式安裝。

圖4 齊平安裝

圖5 嵌入式安裝

PCB?大多數(shù)壓力傳感器都帶有用于齊平安裝的密封圈。部分型號(hào)，例如111,112,113系列還可提供用于嵌入式安裝的套管，如果需要額外的套管時(shí)請(qǐng)單獨(dú)訂購(gòu)。對(duì)于需要頻繁的移動(dòng)和拆裝的應(yīng)用，請(qǐng)訂購(gòu)足夠的備用密封圈或套管。在重新安裝壓力傳感器前，請(qǐng)確認(rèn)安裝端口中的舊的、變形的密封環(huán)已經(jīng)從安裝孔中移除。

PCB?具有不同的安裝適配器可以簡(jiǎn)化壓力傳感器的安裝。壓力傳感器和具有直螺紋的適配器使用密封環(huán)進(jìn)行壓力密封。管螺紋適配器有錐形螺紋，以便壓力密封。對(duì)于壓力傳感器的適配器和附件請(qǐng)參考PCB?網(wǎng)站上壓力傳感器網(wǎng)頁(yè)獲取更多信息，當(dāng)然，您可以直接聯(lián)系我們的技術(shù)工程師咨詢。

壓力傳感器膜片的位置控制可以通過(guò)調(diào)節(jié)直螺紋或密封環(huán)的安裝實(shí)現(xiàn)。管螺紋安裝不允許傳感器在深度上進(jìn)行精密定位，因?yàn)槊芊馐峭ㄟ^(guò)在錐度孔中逐步擰緊螺紋達(dá)到要求的螺紋嚙合實(shí)現(xiàn)的。管螺紋的安裝孔加工比直螺紋更簡(jiǎn)易。管螺紋更適宜一些常規(guī)的應(yīng)用。

熱沖擊

汽車缸內(nèi)壓力，沖擊壓力，自由場(chǎng)爆炸等應(yīng)用中壓力脈沖總是會(huì)伴隨有熱沖擊。熱沖擊以輻射熱形式存在，例如爆炸的閃光，通過(guò)壓力傳感器膜片的熱氣體對(duì)流的熱量，或者來(lái)自熱液體的傳導(dǎo)熱量。

幾乎所有壓力傳感器對(duì)熱沖擊都很敏感。當(dāng)熱量作用到內(nèi)部具有晶體的時(shí)，熱量會(huì)造成內(nèi)部晶體周圍的外殼擴(kuò)張。雖然石英晶體對(duì)熱沖擊不太敏感，但是外殼的擴(kuò)張會(huì)造成晶體上的預(yù)緊力減少，產(chǎn)生負(fù)的信號(hào)輸出。為了減少這種影響，需要采用各種方法。

某些PCB?石英壓力傳感器內(nèi)部為了最小化熱沖擊效應(yīng)的影響采取了具有熱隔離的設(shè)計(jì)。一些型號(hào)具有隔離功能的膜片。其它的傳感器可能需要熱保護(hù)涂層，嵌入式安裝或綜合這些方法來(lái)降低熱沖擊效應(yīng)，并最大化頻響范圍。涂層包括硅脂（也可能用于填充安裝孔內(nèi)）；RTV硅橡膠；乙烯電工膠帶或陶瓷。RTV和膠帶用作防燒蝕材料，而陶瓷涂層用于保護(hù)膜片免受腐蝕性氣體和粒子撞擊損傷。

PCB?一些傳感器使用非石英的晶體，例如電氣石雖然對(duì)熱沖擊敏感，但是一般用于激波管和水下爆炸傳感器中。在激波管測(cè)試中，壓力測(cè)量的持續(xù)時(shí)間通常比較短，一層聚氯乙烯絕緣膠帶足以延緩熱效應(yīng)的影響。在水下爆炸應(yīng)用中，熱傳遞在水中并不顯著。

熱沖擊效應(yīng)與壓力傳感器規(guī)格中的溫度系數(shù)并無(wú)關(guān)聯(lián)。規(guī)格書(shū)中的溫度系數(shù)是指?jìng)鞲衅飨鄬?duì)于在恒溫中的傳感器靈敏度的變化。由于熱沖擊效應(yīng)不太容易被量化，但是它們必須通過(guò)預(yù)期和技術(shù)手段來(lái)實(shí)現(xiàn)最小化，以保證更精確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

審核編輯：郭婷