为新项目或设备选择压力传感器时,设计师通常比较关注关键设计参数,如压力范围、电流输出、介质兼容性以及环境条件等。然而,若要根据不同的应用选出合适的传感器,除以上参数外,还需考虑其它因素,常常被忽略的设计因素:压力传递介质(充油式和非充油式)、结构和传感技术类型。这也是压力传感器选型的三大要素。
一 压力传递介质(充油式vs非充油式)在压力传感行业存在多种不同的传感技术,但所有传感器都可分为两大类:充油式和非充油式。充油式传感器是指在膜片和传感元件之间采用油液作为压力传递介质的传感器,例如基于微机电系统(MEMS)的电子传感器。
充油式传感器具有材料相容性(好)、成本低、易于集成到成套传感器系统中等特点,对许多制造应用都极具吸引力。虽然应用日益普遍,但相较于非充油式传感器,仍有不少缺点。
充油式设计的最大缺点是故障成本高。一旦传感膜片因过压或制造缺陷而破裂,那么油液就会泄漏至应用中并污染系统。油液进入系统会损坏关键的部件,造成成数千乃至数百万美元的损失,损失程度视具体应用而异(如,代价昂贵的燃料电池系统)。更糟的是,许多系统一旦被油液污染,几乎就没有修复的可能。相比之下,非充油式设计不仅能消除因故障导致污染的可能性,而且还可承受更高的过压冲击。
二 结构压力传感器在应用中的服役时间是挑选传感器的关键指标之一。一般而言,全焊接结构的传感器,设计更坚固、耐用,在许多苛刻应用中的使用寿命都较长。另外,还要考虑接头在外壳上的焊接牢固度。要知道,在应用现场,这些装置常常会暴露在影响传感器工作的非理想环境下。
确保制造商不仅能够提供多种压力接头,包括1/4”和1/8”NPT等标准口径,而且还能够视需要量身定制过程接头。即使再坚固耐用的设计也有可能受潮湿环境影响,因此部分传感器需防潮保护以防止接头引脚的四周被腐蚀。
如果担心保护传感器受恶劣环境侵蚀,则选择IP防护等级满足安装需求的传感器。传感器可提供多种IP防护等级。其中,IP65级防护的型号可提供抵御粉尘渗入和喷嘴喷水的全面保护。
IP67级防护的传感器能够防护灰尘侵入以及短暂浸泡。IP69K级防护则适用于高压、高温应用。如果液体渗入会导致风险,切记采用密封电缆。尽可能避免选择充油式传感器,它采用了不同导热系数的材料,会增加传感器的不稳定性。
三 传感技术类型虽然稳定可靠的电路设计可满足不同人的不同需求,但总体而言,较为重要的仍是其可靠性、稳定性及耐恶劣环境能力。目前,溅射薄膜和可变电容技术被视为工业应用领域先进的传感技术。薄膜传感器采用成熟的惠斯通电桥原理。根据这种设计,首先通过将分子层喷射到17-4或316L不锈钢膜上,然后在膜片上蚀刻电路,从而实现出色的电阻分辨率和一致性。通过溅射薄膜技术,可将简单、高精度和紧凑的应力计沉积于传感膜背面。
Setra西特公司的电容式压力传感器巧妙地采用了简单、耐用和稳定的电容器元件。其典型配置为:紧凑外壳内装设两个紧密间隔的平行电绝缘金属面,其中之一就是在压力作用下会轻微弯曲的膜片。
金属面(或板)牢牢安装在传感器内部,因此施加压力的微小变化可导致组件的轻微机械变形,从而改变两个金属面之间的间隙大小(形成可变电容效果)。而灵敏的线性比较器电路(采用特别设计的专利保护专用集成电路)可检测到间隙变化导致的电容变化,继而放大并输出比例放大的高电平信号。
两种传感器的测量原理几乎都可消除漂移现象并提供更高的灵敏度。此外,它们还融合了紧凑的设计和良好的温度稳定性。薄膜式和电容式传感器能提供与输入压力成比例的线性模拟输出信号,具有高精度和高性能的特点。
电容指容纳电荷的能力。电容器指电路中能够储存电荷的元件,与电感器、电阻器并称为基本的三种电路元件。电容器不测量存储能量的大小,仅度量可储存能量的潜在能力。这种潜在能力以法拉第(F)为单位进行计量,但在大部分的消费级电容器中,通常采用微法(?F)或更小的单位。
电容器由两块导电板组成,中间采用绝缘层(也称为电介质)隔离。电容器多种多样,其大小、导电板布置以及所采用的电介质材料各不相同。当电容器接通电路时,电源的电压促使电子积聚在一块板的表面,并使另一块板表面释放电子,从而导致两板之间形成电势差。电容器的电容值可为固定值,也可根据应用进行调节和改变。电极板的尺寸、形状及距离都会影响元件的电容大小。相较于距离较远的较小金属板所构成的电容器,距离近的较大金属板所构成的电容器电容更大。
电容的应用日益广泛,例如计算机存储器、电容式传声器、无线电接收器、脉冲磁体和压力传感器等。相比于采用其它技术的传感器,电容式压力传感器具有更高精度(±0.07%满量程精度)
光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(可见及紫外镭射光)转变成为电信号的器件。
光电传感器原理
由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类,即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流,它与被测量间呈单值关系.模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻档)三大类。
所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物,部份被吸收后,透射光投射到光电元件上;所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上;所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射到光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置有关。
光敏二极管是较为常见的光传感器。光敏二极管的外型与一般二极管一样,当无光照时,它与普通二极管一样,反向电流很小,称为光敏二极管的暗电流;当有光照时,载流子被激发,产生电子-空穴,称为光电载流子。在外电场的作用下,光电载流子参与导电,形成比暗电流大得多的反向电流,该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比,于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。
光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外,还有对电信号放大的功能。光敏三级管的外型与一般三极管相差不大,一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极,基极不引出,管壳同样开窗口,以便光线射入。为增大光照,基区面积做得很大,发射区较小,入射光主要被基区吸收。
工作时集电结反偏,发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=(1+β)Icbo(很小),比一般三极管的穿透电流还小;当有光照时,激发大量的电子-空穴对,使得基极产生的电流Ib增大,此刻流过管子的电流称为光电流,发射极电流Ie=(1+β)Ib,可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。新的光电器件不断涌现,特别是CCD图像传感器的诞生,为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。
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