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壓力開關的改進

來源:安徽萬奉 瀏覽:1678 發布日期:2021-06-08
  儀表的發展不外乎兩個模式:1.更好的性能,更強的功能;2.更強大的儀表和儀表之間的信息溝通和傳輸能力。第一種,就是比如更高的可靠性,更好的儀表性能,更低的生產成本等;第二種,就是給儀表增加例如HART,總線等功能,使儀表和系統具有更強的信息交換能力。其實,不止儀表領域,小到計算機大到人類和自然社會的進化都是這個道理。比如:CPU的頻率越來越快,計算機南北橋之間的架構越來越合理(使數據傳輸更快);個體的人的功能(知識)越來越強(我們這一代就比幾代前的人知道得多),電話、飛機等讓人們自由溝通的手段越來越先進等。都是沿著這兩個軌跡發展的。
我在儀器儀表領域作技術支持的工作已經有些時間了。因為經常接觸壓力開關各個廠家的產品,所以對這類產品有所了解。根據我上述的對發展的認識,我這段時間對壓力開關這類儀表的發展有些想法。由于變送器的可靠性大幅增加,功能多樣化,并且價格降低,使得一大部分開關被變送器取代。以后的開關用在對控制要求不高或者極其重要的場合。
壓力開關的改進應當在把注意力集中在,提高儀表重復性,電子輔助調節,更易連接等方向。主要有如下幾點:
更新設計的電纜接頭。全部使用快裝防火花的接頭。使儀表的安裝更方便。
重新設計的彈性元件,使儀表精度大幅提高。
引入電子元件,使開關具有自診斷,自記錄等高級功能。
我的想法是:
使用兩個波紋管,對列放置,消除由于彈性滯后和彈性后效引起的系統誤差和隨機誤差。能大大提高儀表精度。
在波紋管上粘貼彈性應變片,應變片根據波紋管的形變而形變,這樣它的電阻也會隨之變化。由一個芯片記錄多次變化再把數值和預存的正確數值比較,如果出現波紋管過壓或開焊等一系列彈性元件失效問題,都可以馬上檢測到。
使用便攜式檢測儀,檢測儀上有手動氣泵和數據讀取裝置。檢測時,用手泵加壓,加壓同時自動讀取設定點,報警點和回復點的數值,并分析精度,回差等多種重要參數。如果需要,可以打印出來,形成報告。
電容式力敏傳感器近來得到了迅速發展,這種傳感器的核心部分是對壓力敏感的電容器。力敏電容器的電容量是由電極面積和兩個電極間的距離決定。當硅膜片兩邊存在壓力差時,硅膜片產生形變,電容器極板間的間距發生變化,從而引起電容量的變化。這樣,電容變化量與壓差有關,因此,就可作為力敏傳感器。它與壓阻式力敏傳感器相比,具有靈敏度高、溫度穩定性好、壓力量程大等特點。
壓力傳感器是一種將壓力信號轉變成電信號的傳感器,是工業實踐中最為常用的一種傳感器,其廣泛應用于各種工業自控環境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業,主要分為靜態和動態壓力傳感器兩種。高頻以壓電式壓力傳感器為主;低頻靜態以壓阻硅、應變式壓力傳感器為主。動態壓力傳感器主要應用于爆炸物理、風洞試驗、自由場壓力測量領域;靜態壓力傳感器主要應用于安全控制、生產過程控制等領域。
粘貼型壓阻式力敏傳感器由四只半導體應變片接成全橋形式,用粘合劑貼在彈性元件上構成,它具有很高的應變靈敏系數,一般為20~200,因此輸出高,輸出靈敏度一般為15~0mv/v,但易發生零點漂移與蠕變,同時還存在半導體應變片和彈性元件熱膨脹所帶來的溫度漂移等影響。擴散型壓阻式力敏傳感器大都采用單晶硅和半導體平面工藝制成的。一般以n型硅為襯底,采用氧化、擴散等工藝將硼原子沿給定的晶向擴散到n型硅襯底材料中,形成p型擴散層。結果硼擴散區便形成應變電阻,并用襯底形成一個整體,當它受到壓力作用時,應變電阻發生變化,從而使輸出發生變化。壓阻式力敏傳感器有靈敏度高、精度高、體積小、重量輕、工作頻率高、結構簡單、工作可靠、壽命長等特點。
力敏傳感器是使用最廣泛的一種傳感器,它是檢測氣體、液體、固體等所有物質間作用力能量的總稱,也包括測量高于大氣壓的壓力計以及測量低于大氣壓的真空計。力敏傳感器的種類甚多、傳統的測量方法是利用彈性元件的形變和位移來表示,但它的體積大、笨重、輸出非線性。隨著微電子技術的發展,利用半導體材料的壓阻效應和良好的彈性,研制出半導體力敏傳感器,主要有硅壓阻式和電容式兩種,它們具有體積小、重量輕、靈敏度高等優點,因此半導體力敏傳感器得到廣泛應用。當對一塊半導體在某一晶向上施加應力時,其電阻率會產生一定的變化。這種導體電阻率變化和應力之間的相互關系稱為半導體壓阻效應,利用此效應制成的力學量傳感器稱為壓阻式力敏傳感器,它有兩種類型,一類是將半導體應變計粘貼在彈性元件上制成的傳感器,稱為粘貼型壓阻式傳感器,另一類是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻,使應變計與硅襯底形成同一整體的傳感器,稱為擴散型壓阻式傳感器。

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