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CYB系列壓力/差壓變送器由壓力/差壓傳感器和電子電路兩部分組成。
一、壓力/差壓傳感器的工作原理及特點(diǎn)
1、壓阻式傳感器
壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)及等效電路如下圖所示：
壓阻式傳感器在承壓膜片上制作了4個(gè)阻值隨承壓膜片機(jī)械變形而變化的應(yīng)變電阻。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)的壓力作用在承壓膜片時(shí)，引起承壓膜片發(fā)生機(jī)械變形。介質(zhì)壓力越大，機(jī)械變形越大，則電阻值變化也越大。其中兩個(gè)電阻(R1、R4)隨機(jī)械變形阻值變大，R2、R3隨機(jī)械變形阻值減小。所以壓阻式壓力傳感器可將被測(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，而且壓力變化越大，引起的電阻值變化也越大。壓阻式傳感器中的4個(gè)電阻構(gòu)成一個(gè)惠斯登電橋，在外加電壓(電流)的作用下，產(chǎn)生一輸出電壓信號(hào)。在承壓膜片未受到壓力時(shí)，電阻R1=R2=R3=R4，因此橋路平衡，輸出電壓為0V。當(dāng)作用在承壓膜片上的壓力增大時(shí)，電阻R1、R4的阻值增大，R2、R3阻值減小， 導(dǎo)致橋路輸出電壓增加。因此橋路電壓的變化正確地反映了被測(cè)壓力的變化，即實(shí)現(xiàn)了將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的功能。
常見(jiàn)的壓阻式壓力傳感器根據(jù)制作工藝和承壓膜片的不同分為以下幾種類型：擴(kuò)散硅；陶瓷；薄膜濺射；藍(lán)寶石等。其主要特點(diǎn)如下：
?、艛U(kuò)散硅壓力傳感器
擴(kuò)散硅壓力傳感器是在硅基片上利用半導(dǎo)體生產(chǎn)的擴(kuò)散工藝，制作出構(gòu)成惠斯登電橋的四個(gè)應(yīng)變電阻。硅基片作為承壓膜片。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
從結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，被測(cè)壓力引至隔離膜片，通過(guò)硅油傳到硅基片。硅基片受力產(chǎn)生的機(jī)械形變引起四個(gè)應(yīng)變電阻值的變化(兩個(gè)變大，兩個(gè)變小)，使得原來(lái)平衡的電橋出現(xiàn)了不平衡。為了解決擴(kuò)散硅電阻值隨溫度變化的缺點(diǎn)，制造廠在傳感器的上部封裝了一個(gè)陶瓷片，在陶瓷片上利用激光刻蝕技術(shù)制作了溫度、非線性、增益補(bǔ)償電阻，有效地克服了輸出電壓隨溫度變化的缺點(diǎn)。
隔離膜片和硅油的作用是防止被測(cè)介質(zhì)與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質(zhì)對(duì)基片的損壞。
由于半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，一次制作的四個(gè)橋臂電阻具有阻值相同，溫度特性相同的特點(diǎn)。因此擴(kuò)散硅壓力傳感器具有零點(diǎn)誤差小，溫度特性一致的優(yōu)點(diǎn)。加入溫度補(bǔ)償電路后，具有很好的溫度特性。擴(kuò)散硅傳感器的另一特點(diǎn)是壓力變化引起承載壓力的硅基片機(jī)械變形極小，因此具有回差小、重復(fù)性好、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。這也是擴(kuò)散硅壓力變送器得以廣泛應(yīng)用的原因之一。
利用擴(kuò)散硅技術(shù)也可以制作成差壓傳感器。尤其是低靜壓的微差壓傳感器，擴(kuò)散硅具有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用廣泛。
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陶瓷壓阻式壓力傳感器以工業(yè)陶瓷為承壓膜片，在陶瓷基片上制作了4個(gè)構(gòu)成惠斯登電橋的應(yīng)變厚膜電阻。同時(shí)利用激光刻蝕技術(shù)制作了非線性和溫度補(bǔ)償電阻。
陶瓷壓阻傳感器的特點(diǎn)是承壓膜片直接與介質(zhì)接觸，無(wú)需充硅油，所以不存在隔離膜片破裂使硅油泄漏污染介質(zhì)問(wèn)題?？梢?jiàn)陶瓷傳感器更適合用于飲料、食品、藥品等對(duì)衛(wèi)生要求較高的工藝過(guò)程中。陶瓷傳感器還具有耐磨、耐腐蝕、抗沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)。與擴(kuò)散硅傳感器相比，陶瓷傳感器在線性、回差、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面略有差異。
?、请x子濺射薄膜壓力傳感器
離子濺射薄膜壓力傳感器結(jié)構(gòu)如右圖所示：
在傳感器的承壓金屬膜片上，利用離子濺射和半導(dǎo)體工藝制作出4只應(yīng)變電阻。承壓膜片隨介質(zhì)壓力變化產(chǎn)生機(jī)械變形。壓力增大時(shí)，4只電阻中的R2、R4受壓，R1、R3受拉，電阻值發(fā)生變化。將4只電阻接成惠斯登電橋，外加激勵(lì)電壓，輸出電壓隨介質(zhì)壓力變化而成正比變化，將壓力變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。
在被測(cè)介質(zhì)溫度高于150℃或低于-40℃時(shí)，普通的壓力傳感器則難以勝任。離子濺射薄膜壓力傳感器采用離子束濺射方式結(jié)合先進(jìn)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝技術(shù)，應(yīng)變電阻直接制作在金屬測(cè)壓膜片上。由于濺射工藝使得應(yīng)變電阻和承壓膜片成為一體結(jié)構(gòu)，所以顯著地改善了應(yīng)變式傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和蠕變特性，使傳感器的溫度范圍大大擴(kuò)展。濺射薄膜傳感器直接制作在金屬膜片上，沒(méi)有隔離膜片與硅油，因此精度更高，穩(wěn)定性與可靠性更好，且有更高的抗振動(dòng)性能，可用于各種惡劣的工作環(huán)境。
?、人{(lán)寶石壓力傳感器
藍(lán)寶石壓阻式壓力傳感器以機(jī)械性能高度穩(wěn)定的人造藍(lán)寶石為承壓材料。其主要特點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，溫度范圍寬(允許介質(zhì)溫度-196～400℃)，抗振動(dòng)。主要用于介質(zhì)溫度特別低或特別高的場(chǎng)合及航天、航空和軍事用途。
2、電容式壓力/差壓傳感器的工作原理
電容式壓力/差壓傳感器是將被測(cè)壓力/差壓的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化。常用的電容式壓力/差壓傳感器根據(jù)所使用的材料不同，有陶瓷電容和金屬電容兩種不同的傳感器。電容式壓力/差壓傳感器的原理是將被測(cè)壓力作用在一彈性膜片(承壓膜片)上，使膜片產(chǎn)生與壓力成正比的位移，彈性膜片作為電容器的一個(gè)極板(金屬或附有導(dǎo)電材料)，另一極板是一與彈性膜片平行，位置固定的導(dǎo)電材料片。彈性膜片的位移改變了構(gòu)成電容的兩個(gè)極板間的距離，使電容量發(fā)生了變化。由于電容量的變化與彈性膜片的位移成正比，彈性膜片的位移與被測(cè)壓力成正比，因此實(shí)現(xiàn)了將壓力/差壓變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的目的。
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陶瓷電容式壓力傳感器以工業(yè)陶瓷制成彈性膜片。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：
在陶瓷電容壓力傳感器中，被測(cè)介質(zhì)壓力無(wú)需經(jīng)過(guò)其它介質(zhì)(如硅油等)傳遞而直接作用在彈性膜片上，使膜片產(chǎn)生位移。彈性膜片的位移大小與被測(cè)壓力大小成正比，因此襯底的電極與彈性膜片電極形成的電容量變化也與被測(cè)壓力大小成正比。彈性膜片的最大位移不超過(guò)0.03mm。過(guò)載時(shí)，膜片貼到陶瓷襯底上而不會(huì)損壞，當(dāng)壓力恢復(fù)到正常時(shí)，其性能不受任何影響，解決了其它壓力傳感器低量程過(guò)載能力差的缺點(diǎn)。陶瓷電容傳感器的兩個(gè)電容極板之間為真空密封，無(wú)其它隨溫度、濕度變化的介電物質(zhì)，因此溫度特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性均較好，工作溫度范圍高達(dá)-40~125℃。
由于陶瓷壓力傳感器沒(méi)有液體的傳遞，無(wú)任何填充液，不會(huì)產(chǎn)生工藝污染，不受安裝方向影響，溫度特性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，因此獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其是適用于食品、醫(yī)藥等衛(wèi)生條件要求高的行業(yè)和場(chǎng)合。
?、平饘匐娙輭毫?差壓傳感器
金屬電容壓力/差壓傳感器采用金屬殼體和金屬?gòu)椥阅てｋ娙菔綁毫?差壓傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如右圖所示。工作時(shí)， 高、低壓側(cè)的隔離膜片和灌充液將過(guò)程壓力傳遞給傳感器中心的彈性膜片上。彈性膜片是一個(gè)張緊的彈性元件，受力時(shí)產(chǎn)生位移。其位移隨所受差壓的大小和方向而變化。傳感膜片的最大位移量不大于0.10mm , 且位移量與差壓的大小成正比。兩側(cè)的金屬板與傳感膜片構(gòu)成了兩組電容極板，傳感膜片和電容極板之間的距離變化反映為電容量的變化。亦即將所承受壓力/差壓變化反映為電容變化。電容式傳感器的溫度特性好， 可承受較高的靜壓， 工作可靠。是目前應(yīng)用極為廣泛的傳感器之一。
二、電路工作原理
1、普通壓力變送器電路工作原理
壓力變送器采用壓阻式壓力傳感器，為普通模擬電路壓力變送器。其電路組成框圖如下：
激勵(lì)電路：產(chǎn)生供傳感器橋路工作所需的恒壓或恒流。
放大及補(bǔ)償電路：對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)(mV級(jí))進(jìn)行放大，并通過(guò)電路對(duì)傳感器的非線性、溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出信號(hào)電壓為1V左右，以滿足V/I轉(zhuǎn)換的需要。為了降低傳感器輸出的非線性，要求放大器的輸入阻抗在100MΩ以上，因此電路采用儀表放大器。
V/I轉(zhuǎn)換電路：將放大器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩線制變送器輸出所需的4～20mADC電流信號(hào)。
滿量程輸出調(diào)節(jié)：電位器調(diào)節(jié)。改變放大器的增益，保證滿量程時(shí)的輸出電流為20.000mADC。
零點(diǎn)輸出調(diào)節(jié)：電位器調(diào)節(jié)。改變加在V/I轉(zhuǎn)換電路輸入端的偏置電壓，保證輸入壓力為零時(shí)的輸出電流為4.000mADC。
顯示電路：顯示電路串接在電流輸出回路。有指針表頭和液晶顯示兩種。顯示電路直接根據(jù)輸出電流大小顯示電流值或壓力值。
2、智能壓力變送器電路工作原理
壓力變送器采用壓阻式或陶瓷電容式壓力傳感器，是一智能化的壓力變送器。其電路組成框圖如下：
激勵(lì)電路：產(chǎn)生供傳感器橋路工作所需的恒壓或恒流。
A/D轉(zhuǎn)換：將傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)(0000H～FFFFH)。
溫度傳感器：數(shù)字溫度傳感器。將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出給單片機(jī)。
單片機(jī)：接受A/D轉(zhuǎn)換來(lái)的傳感器輸出(壓力)信號(hào)，根據(jù)傳感器的量程范圍，計(jì)算出相應(yīng)的壓力和對(duì)應(yīng)的輸出電流。通過(guò)軟件，對(duì)傳感器的非線性作了分段線性化處理，大大提高了變送器的精度。單片機(jī)同時(shí)采集環(huán)境溫度的變化，對(duì)傳感器的溫度特性進(jìn)行了全面補(bǔ)償，大大提高了變送器的穩(wěn)定性。單片機(jī)外圍設(shè)有專門的μP檢測(cè)和看門狗電路，確保了在外界強(qiáng)干擾下電路能正常工作，提高了可靠性。單片機(jī)外圍電路還包括了EEPROM，用于存放各種設(shè)置、補(bǔ)償數(shù)據(jù)。通過(guò)軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的非線性、溫度特性的補(bǔ)償和對(duì)變送器的自動(dòng)校正、自動(dòng)遷移。在單片機(jī)的控制下，每隔兩分鐘自動(dòng)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的零點(diǎn)和滿量程輸出進(jìn)行一次校驗(yàn)，解決了環(huán)境溫度、濕度變化及時(shí)間漂移對(duì)電路的影響。
D/A轉(zhuǎn)換：將單片機(jī)計(jì)算的輸出電流數(shù)字量轉(zhuǎn)換為4～20mADC輸出的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換電路為變送器專用的4～20mADC環(huán)路輸出D/A芯片，保證了變送器的精度和穩(wěn)定性、可靠性。
顯示電路：液晶顯示電路。顯示被測(cè)壓力或輸出電流值。
按鍵：通過(guò)按鍵，可啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)的零點(diǎn)和滿量程的遷移、零點(diǎn)和滿量程的誤差校正程序，以實(shí)現(xiàn)變送器誤差校正和量程遷移的自動(dòng)化。
通信電路：提供現(xiàn)場(chǎng)總線的通信功能。可使變送器不僅有模擬量的輸出，同時(shí)有數(shù)字量的輸出，并且可接受外部信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)變送器的管理與設(shè)置。
3、電容式壓力/差壓變送器
壓力/差壓變送器采用電容式壓力/差壓傳感器，電子部分為普通模擬電路。其電路組成框圖如下：
傳感器將被測(cè)壓力/差壓變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。在激勵(lì)電路的作用下，將電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。放大電路對(duì)激勵(lì)電路輸出的信號(hào)電壓(mV級(jí))進(jìn)行放大，對(duì)傳感器的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。使信號(hào)電壓滿足V/I(電壓/電流)轉(zhuǎn)換的需要。V/I轉(zhuǎn)換電路最終輸出與被測(cè)壓力成正比的4～20mADC電流信號(hào)。放大電路包括了對(duì)變送器的溫度補(bǔ)償和對(duì)傳感器的非線性補(bǔ)償。
除激勵(lì)電路外，電路基本相同。電容式傳感器激勵(lì)電路采用了開(kāi)關(guān)型電容充放電激勵(lì)原理，利用電容充電時(shí)兩端電壓與電容容量的關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)電容兩端的電壓變化反映電容量的變化，即被測(cè)壓力的變化。該激勵(lì)電路的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、溫度特性指標(biāo)遠(yuǎn)較一般的正弦波交流激勵(lì)電路高。它從根本上克服了正弦波激勵(lì)電路的頻率漂移、幅度變化影響，更沒(méi)有整流二極管的壓降與輸出信號(hào)串聯(lián)導(dǎo)致的溫度影響，使得電容式壓力/差壓變送器的精度、穩(wěn)定性與可靠性更高。
