发电机组压力传感器分类及原理

2020-04-19  来自: 恒威动力

发电机组的压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。当我们讨论压力传感器时,我们必须导出压力变送器的概念。

发电机组传感器一般由敏感元件和转换元件两部分组成。其中,敏感元件是指传感器能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器将敏感元件的测量应变转换成适合传输或测量的电信号的部分。

由于发电机组传感器的输出信号一般较弱,需要对其进行调制和放大。随着集成技术的发展,这部分电路和电源电路也安装在传感器中。这样,传感器可以输出易于处理和传输的信号。过去,当技术相对落后时,所谓的传感器是指上面的敏感元件,而发射机是上面的转换元件。

压力传感器一般是指将变化的压力信号转换成相应的变化电阻信号或电容信号的敏感元件,如:压阻元件、压电容元件,压力变送器一般是指由压力敏感元件和调节电路组成的一个完整的电路单元,能直接输出与压力成线性关系的标准电压信号或电流信号,供仪表、PLC、采集卡等设备直接采集。


电机组压力传感器的分类

发电机组压力传感器有多种,如电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器等。

目前广泛应用的压力传感器有:扩散硅压阻式压力传感器、陶瓷压阻式压力传感器、溅射膜压力传感器、电容式压力传感器、耐高温蓝宝石压力传感器。但压阻式压力传感器应用广泛。它价格低廉,精度高,线性度好。

发电机组各种压力传感器的原理,引出电极引线。说到压阻式传感器,我们首先需要谈谈它的原理压阻效应。

压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化与压电效应不同,压阻效应只产生阻抗变化,不产生电荷。

当压力变化时,电阻R1、R2、R3和R4变化,从而导致电阻中间加载的电压变化,从而反映压力值。

发电机组的压阻式传感器也称为扩散硅压阻式压力传感器。被测介质的压力直接作用在传感器的膜片(不锈钢或陶瓷)上,使膜片产生与介质压力成正比的微位移,使传感器的电阻值发生变化,并用电子电路检测变化,转换为输出一个对应于压力测量信号。

发电机组陶瓷压力传感器。厚膜电阻器印刷在陶瓷隔膜的背面,并连接到惠斯通电桥(闭合电桥)。由于压阻的压阻效应,电桥产生一个与压力成正比的电桥,根据不同的压力范围,标准信号校准为2.0/3.0/3.3mv/v,可与应变传感器兼容。通过激光校准,传感器具有高温稳定性和时间稳定性。传感器的温度补偿范围为0~70℃,可直接接触大部分介质。

陶瓷是一种高弹性、耐腐蚀、耐磨、耐冲击、耐振动的材料。陶瓷的热稳定性和厚膜电阻使其工作温度范围高达-40~135℃,具有较高的精度和稳定性。电气绝缘等级为2KV,输出信号强,长期稳定性好。

发电机组压电压力传感器

发电机组压电压力传感器的原理是基于压电效应。压电效应是指当某些电介质方向受外力变形时,其内部会发生极化,同时在两个相对表面上会产生正负电荷。当外力被消除后,它将回到不带电的状态,这称为正压电效应。当力的方向改变时,电荷的极性就会改变。相反,当电场作用于电介质的极化方向时,这些电介质也会变形。当电场消失时,电介质的变形将消失。这种现象称为逆压电效应。

发电机组压电式压力传感器的种类和型号繁多,按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。将压电元件支承在机体上,通过膜片将被测压力传递给压电元件,由压电元件输出与被测压力有关系的电信号。该传感器具有体积小、动态特性好、耐高温等特点。现代测量技术对传感器的性能要求越来越高。

例如,用压力传感器测量绘制内燃机示功图。测量时不允许水冷,要求传感器能承受高温和小体积。压电材料适合于这种压力传感器的研制。石英是一种很好的压电材料,在它上面发现了压电效应。


方法是选择适合高温条件的石英晶体切割方法。例如,切割石英晶体的XYδ(+20°-+30°)可以承受350℃的高温。LiNbO3单晶的居里点高达1210℃,是一种理想的高温传感器压电材料。

发电机组电阻应变式压力传感器

将发电机组电阻应变片粘贴在弹性元件的比表面上。当力、扭矩、速度、加速度、流量等物理量作用于弹性元件时,会引起元件应力应变的变化,进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻应变传感器的工作原理是通过电路对电阻的变化进行处理,并通过电信号输出。

应变计有金属应变计和半导体应变计两种。金属电阻应变计有两种:金属丝应变计和金属箔应变计。通常,应变计通过一种特殊的粘合剂与机械应变基体紧密结合。当基体的应力发生变化时,电阻应变片也会一起变形,使应变片的电阻值发生变化,使加在电阻上的电压发生变化。应变片在受力状态下的电阻变化通常很小。通常,应变计形成一个应变桥,由随后的仪器放大器放大,然后传输到处理电路(通常是a/D转换和CPU)显示器或执行器。半导体应变计是利用半导体单晶硅的压阻效应制成的敏感元件。半导体应变计需要粘贴在试件上测量试件的应变,或者粘贴在弹性敏感元件上间接感受被测外力。不同结构的弹性传感器可以用来测量各种物体的力学量,如应力、应变、压力、扭矩、加速度等。半导体应变片与电阻应变片相比,具有灵敏系数高(约高 50~100倍)、机械滞后小、体积小、耗电少等优点.

发电机组感应压力传感器

发电机组感应压力传感器是利用感应线圈电感的变化来测量压力的仪器。有两种常见的结构:气隙式和差动变压器式。气隙式的工作原理是被测压力作用在膜片上产生位移,引起差动电感线圈的磁阻变化。此时,膜片和磁芯之间的气隙增大,而另一侧减小,而电感减小。另一侧增加,形成电感的差动变化,通过电感组成的电桥输出与被测压力相对应的交流电压。本实用新型具有体积小、结构简单等优点,适用于有振动或冲击的环境中使用。

差动变压器式的工作原理是侧压力作用在弹簧管上产生与压力成比例的位移,同时带动弹簧管端部连接的铁芯移动,使差动变压器的两个对称和反向串联的二次绕组失去平衡,输出一个与被测压力成比例的电压。它还可以输出标准电流信号和电气单元组合仪表组成自动控制系统。

发电机组电容式压力传感器

发电机组电容式压力传感器是利用电容式传感器将测得的压力转换成具有关系的电输出的压力传感器。它具有输入力小、能量小、动力响应高、自然效应小、环境适应性好等特点。

通常,它使用圆形金属膜或镀金属膜作为电容器的电极之一。当薄膜感受到压力并变形时,薄膜和固定电极之间形成的电容发生变化。通过测量电路,可以输出与电压有关系的电信号。电容式压力传感器属于变极距电容传感器,可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容压力传感器由圆形薄膜和固定电极组成。薄膜在压力作用下变形,从而改变电容器的容量。它的灵敏度与膜的面积和压力近似成正比,但与膜的张力和膜到固定电极的距离成反比。另一种固定电极为凹球面。隔膜是一个固定的张力面。膜片可采用塑料镀金属层的方法制造。该型号适用于测量低压,过载能力强。

带有活塞动杆膜片的单电容压力传感器也可用于测量高压。这种型式可减小膜片的直接受压面积,以便采用较薄的膜片提高灵敏度并与各种补偿保护单元及放大电路集成,提高抗干扰能力。该传感器适用于飞机动态高压测量和遥测。还有麦克风型(即麦克风型)和听诊器型单电容压力传感器。

差动电容式压力传感器的压力隔膜电极位于两个固定电极之间,形成两个电容器。在压力作用下,一个电容器的容量增大,另一个电容器的容量减小,测量结果由差动电路输出。它的固定电极是通过在凹面玻璃表面镀一层金属制成的。过载时隔膜采用凹面保护,无破裂。差动电容式压力传感器比单电容式压力传感器具有更高的灵敏度和线性度,但加工难度大(特别是难以保证对称性),无法实现被测气体或液体的隔离,不适合在腐蚀性或杂质流体中工作。

发电机组谐振压力传感器。它是谐振式传感器的重要应用,主要包括振弦式压力传感器、振筒式压力传感器、膜片式压力传感器和石英晶体谐振式压力传感器。

当被测参数变化时,振动元件的固有振动频率也随之变化。通过相应的测量电路,可以得到与被测参数有关系的电信号。它具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输、处理和存储等优点。

发电机组薄膜压力传感器

溅射薄膜压力传感器也采用电阻应变效应工作,与传统的应变式压力传感器原理相同。两种制造工艺的主要区别。溅射膜压力传感器扩展了金属弹性膜测量压力的原理。采用离子束溅射和刻蚀技术,在金属压力测量膜上直接制作应变桥。由于无运动部件,具有较强的抗振动和抗冲击能力,可在恶劣环境下使用。


发电机组蓝宝石压力传感器采用硅蓝宝石作为半导体敏感元件,具有计量特性。表压传感器和变送器由两个膜片组成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。采用异质外延应变敏感电桥电路印制蓝宝石片焊接在钛合金测量片上。被测压力传送到接收膜片上(接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起)在压力作用下,钛合金接收膜片变形。当硅蓝宝石传感器检测到变形时,其电桥输出会发生变化,变化幅度与测量压力成正比。


发电机组的传感器电路能保证应变桥电路的供电,将应变桥的不平衡信号转换成统一的电信号输出(0-5、4-20mA或0-5V)。在压力传感器和变送器中,蓝宝石片与陶瓷基玻璃焊料连接,起到弹性元件的作用,将被测压力转化为应变片变形,从而达到压力测量的目的。


蓝宝石由单晶绝缘体元件组成,无迟滞、疲劳和蠕变;蓝宝石比硅强,硬度高,不怕变形;蓝宝石具有非常好的弹性和绝缘性能(1000℃以内),所以使用硅-蓝宝石制成的半导体敏感元件对温度变化不敏感,即使在高温条件下,它们也具有良好的工作特性;蓝宝石具有极强的抗辐射能力;此外,硅蓝宝石半导体敏感元件没有p-n漂移,因此制造从根本上简化了工艺,提高了重复性,保证了高产率。


硅蓝宝石半导体敏感元件制成的压力传感器和变送器在恶劣的工作条件下能正常工作,可靠性高,精度好,温度误差小,高。 

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