什么是压电压力传感器?
压电压力传感器还可以根据是否测量晶体的静电荷,其电阻率或谐振频率静电荷来分类。根据所使用的现象,晶体传感器可以称为静电,压阻或谐振。
当对石英晶体施加压力,力或加速度时,会在晶体上产生与所施加的力成比例的电荷(图3-8)。这些晶体传感器与诸如应变仪之类的静力装置之间的根本区别在于,晶体产生的电信号会迅速衰减。此特性使这些传感器不适用于静态力或压力的测量,但对于动态测量很有用。
简短图片说明
当对晶体施加压力时,它会发生弹性变形。这种变形导致电荷流动(持续几秒钟)。可以测量得到的电信号,作为施加到晶体的压力的指示。这些传感器无法检测静压力,但用于测量爆炸,爆炸,压力脉动(在火箭发动机,发动机,压缩机中)或其他冲击或振动导致的快速变化的压力。这些坚固的传感器中的一些可以检测到具有“上升时间”的压力事件,其上升时间约为百万分之一秒,本章稍后将对此进行详细介绍。
这种动态压力传感器的输出通常以“相对”压力单位(例如psir而不是psig)表示,从而使测量结果与晶体的初始状态有关。这种传感器的范围是5,000或10,000psir。压电传感器的理想功能包括坚固的结构,小尺寸,高速和自生信号。另一方面,它们对温度变化敏感,需要特殊的电缆连接和放大。
它们在安装过程中也需要特别注意:其中一个考虑因素是它们的安装扭矩应与校准时的扭矩相同(通常为30in.-lbs)。可能通过降低响应速度而损害其性能的另一个因素是空腔下方的空空腔深度。空腔越大,响应越慢。因此,建议将腔体的深度,并且不要深于探头的直径(通常约为0.25英寸)。
静电压力传感器体积小且坚固。施加在晶体上的力可以沿纵向或横向施加,在任何一种情况下,都会产生与施加的力成比例的高电压输出。当无法为传感器供电或无法为传感器供电时,晶体的自生电压信号非常有用。这些压电传感器还提供高速响应(峰值为100kHz时为30kHz),这使其非常适合测量瞬态现象。图3-9显示了一个加速度补偿压力传感器。在这种设计中,通过添加地震质量和单独的反极性“补偿晶体”来提供补偿。这些组件按比例缩放以精确消除质量块(端部件和膜片)的惯性作用,这些质量块在加速时会作用在压力感应晶体叠层上。
由于石英是一种常见的自然存在的矿物,因此这些压电换能器通常不昂贵。电气石是天然存在的石英的半贵重形式,具有亚微秒的响应能力,可用于测量非常快速的瞬态。通过正确选择晶体,设计人员可以确保良好的线性度和降低的温度敏感性。
压电传感器应用
简短描述尽管压电传感器无法测量静压,但它们被广泛用于评估与爆炸,脉动或动态压力条件相关的动压现象,这些动力发生在电动机,火箭发动机,压缩机和其他承受快速变化的加压设备中。他们可以检测到0.1至10,000psig(0.7KPa至70MPa)之间的压力。典型精度为1%满量程,每1000℃温度影响额外增加1%满量程。
压阻式压力传感器基于硅在应力下的电阻率依赖性而工作。类似于应变仪,压阻传感器由一个膜片组成,其上结合了四对硅电阻器。与应变计传感器的结构不同,此处的隔膜本身由硅制成,电阻器在制造过程中扩散到硅中。通过将隔膜粘合到未处理的硅晶圆上来完成隔膜。
如果要使用传感器测量绝对压力,则在真空下执行粘合过程。如果要参考压力传感器