壓力傳感器的技術原理

隨著科技的迅速發展，大量的工程測試問題不斷的出現，各種傳感器在土工測試中也正在得到廣泛的應用，如在鐵路橋梁、路基、機車車輛、儀器制造、爆破、抗震、航空航天設備等領域。工程測試的儀器種類繁多，測試結果受傳感器、記錄與分析設備、操作人員的熟練程度等多方面的影響，其中傳感器的選擇在測試中至為關鍵。在當今的信息時代里，信息產業包括信息采集、傳輸、處理三部分，即傳感技術、通信技術、計算機技術。現代的計算機技術和通信技術由于超大規模集成電路的飛速發展，而已經充分發達后，不僅對傳感器的精度、可靠性、響應速度、獲取的信息量要求越來越高，還要求其成本低廉且使用方便，而傳統傳感器在功能、特性、體積、成本等已難以滿足使用的需要。所以進行滿足應用需要的各種傳感器新技術的研究與開發顯得越來越重要。2．傳感器工作原理及選用原則2.1工作原理傳感器是一種能將物理量、化學量、生物量等轉換成電信號的器件。輸出信號有不同形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，能滿足信息傳輸、處理、記錄、顯示、控制要求，是自動檢測系統和自動控制系統中不可缺少的元件。如果把計算機比作大腦，那么傳感器則相當于五官，傳感器能正確感受被測量并轉換成相應輸出量，對系統的質量起決定性作用。目前在橋梁、隧道、線路、房屋建筑等工程結構的研究、設計、建造與使用中，為了驗證設計理論、選定設計方案、鑒定工程質量以及分析使用中產生的問題，往往需要對工程結構進行靜態或者動態的試驗，而像土壓力傳感器、加速度傳感器、位移計傳感器、CCD傳感器等都是獲得試驗數據的直接媒介。2.2選用原則現代傳感器在原理與結構存在著上千差萬別，所以在進行某個量的測量之前首先要根據具體的測量目的、測量對象以及測量環境合理地選用傳感器。傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理，所以傳感器的選擇顯得尤為重要，現把傳感器的選用原則總結如下。2.2.1精度精度是傳感器的一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個測量系統的精度要求即可，不必選得過高。這樣就可在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單合理的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。2.2.2線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。通常當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。2.2.3靈敏度的選擇在土工測試時，在傳感器的線性范圍內，通常希望傳感器的靈敏度越高越好。但傳感器靈敏度高有其優點也有缺點。優點是傳感器靈敏度高，被測量變化對應的輸出信號的值就比較大，有利于信號處理。缺點是傳感器的靈敏度高，與測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。2.2.4穩定性傳感器使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響傳感器長期穩定性的因素除傳感器本身結構外，主要是傳感器的使用環境。因此，要使傳感器具有良好的穩定性，傳感器必須要有較強的環境適應能力。比如在鐵路路基動應力長期測試中就要求土壓力傳感器，其工作環境就是隱蔽潮濕且常受水分的影響，所以要求穩定性要好。因此在選擇傳感器之前，應對其使用環境進行調查，并根據具體的使用環境選擇合適的傳感器，或采取適當的措施，減小環境的影響。土工測試中傳感器的穩定性有定量指標，在超過使用期后，在使用前應重新進行標定，以確定傳感器的性能是否發生變化。在某些要求傳感器能長期使用而又能輕易更換或標定的場合，所選用的傳感器穩定性要求更嚴格，要能夠經受住長時間的考驗。2.2.5頻率響應特性土工測試中傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統的慣性較大，固有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態測量中，應根據信號的特點(穩態、瞬態、隨機等)與響應特性，避免產生較大的誤差。綜上所述，要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大小；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能根據測量對象與測量環境確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。3傳感器技術的發展目前世界許多國家都在加快對傳感器新技術的研究與開發，并且都已取得極大的突破。如今傳感器新技術的發展，主要有以下幾個方面。3.1利用新材料傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，由于材料科學進步，人們可制造出各種新型傳感器。例如用高分子聚合物薄膜制成溫度傳感器；光導纖維能制成壓力、流量、溫度、位移等多種傳感器；用陶瓷制成壓力傳感器。高分子聚合物能隨周圍環境的相對濕度大小成比例地吸附和釋放水分子。高分子電介常數小，水分子能提高聚合物的介電常數。將高分子電介質做成電容器，測定電容容量的變化，即可得出相對濕度。陶瓷電容式壓力傳感器是一種無中介液的干式壓力傳感器。采用先進的陶瓷技術，厚膜電子技術，其技術性能穩定，年漂移量小于0.1%F.S，溫漂小于±0.15%/10K，抗過載強，可達量程的數百倍。測量范圍可從0到60MPa。德國E+H公司和美國Kavlio公司產品處于領先地位。光導纖維的應用是傳感材料的重大突破，其最早用于光通信技術。在光通信利用中發現當溫度、壓力、電場、磁場等環境條件變化時，引起光纖傳輸的光波強度、相位、頻率、偏振態等變化，測量光波量的變化，就可知道導致這些光波量變化的溫度、壓力、電場、磁場等物理量的大小，利用這些原理可研制出光導纖維傳感器。光纖傳感器與傳統傳感器相比有許多特點：靈敏度高，結構簡單、體積小、耐腐蝕、電絕緣性好、光路可彎曲、便于實現遙測等。光纖傳感受器與集成光路技術相結合，加速光纖傳感器技術的發展。將集成光路器件代替原有光學元件和無源光器件，使光纖傳感器有高的帶寬、低的信號處理電壓，可靠性高，成本低。光纖傳感器日本處于先進水平，如IdecIzumi公司和Sunx公司等。另外擴散硅傳感器在土工測試中也有很好的應用前景。3.2發現并利用新現象利用物理現象、化學反應、生物效應作為傳感器原理，所以研究發現新現象與新效應是傳感器技術發展的重要工作，是研究開發新型傳感器的基礎。日本夏普公司利用超導技術研制成功高溫超導磁性傳感器，是傳感器技術的重大突破，其靈敏度高，僅次于超導量子干涉器件。它的制造工藝遠比超導量子干涉器件簡單。可用于磁成像技術，有廣泛推廣價值。利用抗體和抗原在電極表面上相遇復合時，會引起電極電位的變化，利用這一現象可制出免疫傳感器。用這種抗體制成的免疫傳感器可對某生物體內是否有這種抗原作檢查。如用肝炎病毒抗體可檢查某人是否患有肝炎，起到快速、準確作用。美國加州大學巳研制出這類傳感器。3.3微機械加工技術半導體技術中的加工方法有氧化、光刻、擴散、沉積、平面電子工藝，各向導性腐蝕及蒸鍍，濺射薄膜等，這些都已引進到傳感器制造。因而產生了各種新型傳感器，如利用半導體技術制造出硅微傳感器，利用薄膜工藝制造出快速響應的氣敏、濕敏傳感器，利用濺射薄膜工藝制壓力傳感器等。日本橫河公司利用各向導性腐蝕技術進行高精度三維加工，制成全硅諧振式壓力傳感器。核心部分由感壓硅膜片和硅膜片上面制作的兩個諧振梁結成，兩個諧振梁的頻差對應不同的壓力，用頻率差的方法測壓力，可消除環境溫度等因素帶來的誤差。當環境溫度變化時，兩個諧振梁頻率和幅度變化相同，將兩個頻率差后，其相同變化量就能夠相互抵消。其測量最高精度可達0.01%FS。議