CYB系列压力/差压变送器工作原理

2021-11-3011:48:18427

CYB系列压力/差压变送器工作原理

CYB系列压力/差压变送器由压力/差压传感器和电子电路两部分组成。

一、压力／差压传感器的工作原理及特点

1、压阻式传感器

压阻式传感器的结构及等效电路如下图所示：

压阻式传感器在承压膜片上制作了4个阻值随承压膜片机械变形而变化的应变电阻。当被测介质的压力作用在承压膜片时，引起承压膜片发生机械变形。介质压力越大，机械变形越大，则电阻值变化也越大。其中两个电阻（R1、R4）随机械变形阻值变大，R2、R3随机械变形阻值减小。所以压阻式压力传感器可将被测压力的变化转换为电阻值的变化，而且压力变化越大，引起的电阻值变化也越大。压阻式传感器中的4个电阻构成一个惠斯登电桥，在外加电压（电流）的作用下，产生一输出电压信号。在承压膜片未受到压力时，电阻R1=R2=R3=R4，因此桥路平衡，输出电压为0V。当作用在承压膜片上的压力增大时，电阻R1、R4的阻值增大，R2、R3阻值减小， 导致桥路输出电压增加。因此桥路电压的变化正确地反映了被测压力的变化，即实现了将压力信号转换为电压信号的功能。

常见的压阻式压力传感器根据制作工艺和承压膜片的不同分为以下几种类型:扩散硅；陶瓷；薄膜溅射；蓝宝石等。其主要特点如下：

⑴扩散硅压力传感器

扩散硅压力传感器是在硅基片上利用半导体生产的扩散工艺，制作出构成惠斯登电桥的四个应变电阻。硅基片作为承压膜片。其结构如下图所示：

从结构示意图可以看出，被测压力引至隔离膜片，通过硅油传到硅基片。硅基片受力产生的机械形变引起四个应变电阻值的变化（两个变大，两个变小），使得原来平衡的电桥出现了不平衡。为了解决扩散硅电阻值随温度变化的缺点，制造厂在传感器的上部封装了一个陶瓷片，在陶瓷片上利用激光刻蚀技术制作了温度、非线性、增益补偿电阻，有效地克服了输出电压随温度变化的缺点。

隔离膜片和硅油的作用是防止被测介质与硅基片直接接触，避免了腐蚀性介质对基片的损坏。

由于半导体生产工艺的特点，一次制作的四个桥臂电阻具有阻值相同，温度特性相同的特点。因此扩散硅压力传感器具有零点误差小，温度特性一致的优点。加入温度补偿电路后，具有很好的温度特性。扩散硅传感器的另一特点是压力变化引起承载压力的硅基片机械变形极小，因此具有回差小、重复性好、长期稳定性好等优点。这也是扩散硅压力变送器得以广泛应用的原因之一。

利用扩散硅技术也可以制作成差压传感器。尤其是低静压的微差压传感器，扩散硅具有独特的优势，应用广泛。

⑵陶瓷压阻式压力传感器

陶瓷压阻式压力传感器以工业陶瓷为承压膜片，在陶瓷基片上制作了4个构成惠斯登电桥的应变厚膜电阻。同时利用激光刻蚀技术制作了非线性和温度补偿电阻。

陶瓷压阻传感器的特点是承压膜片直接与介质接触，无需充硅油，所以不存在隔离膜片破裂使硅油泄漏污染介质问题。可见陶瓷传感器更适合用于饮料、食品、药品等对卫生要求较高的工艺过程中。陶瓷传感器还具有耐磨、耐腐蚀、抗冲击强等特点。与扩散硅传感器相比，陶瓷传感器在线性、回差、长期稳定性等方面略有差异。

⑶离子溅射薄膜压力传感器

离子溅射薄膜压力传感器结构如右图所示：

在传感器的承压金属膜片上,利用离子溅射和半导体工艺制作出4只应变电阻。承压膜片随介质压力变化产生机械变形。压力增大时，4只电阻中的R2、R4受压，R1、R3受拉，电阻值发生变化。将4只电阻接成惠斯登电桥，外加激励电压，输出电压随介质压力变化而成正比变化,将压力变化转换成电压变化。

在被测介质温度高于150℃或低于-40℃时，普通的压力传感器则难以胜任。离子溅射薄膜压力传感器采用离子束溅射方式结合先进的半导体生产工艺技术，应变电阻直接制作在金属测压膜片上。由于溅射工艺使得应变电阻和承压膜片成为一体结构，所以显著地改善了应变式传感器的长期稳定性和蠕变特性，使传感器的温度范围大大扩展。溅射薄膜传感器直接制作在金属膜片上，没有隔离膜片与硅油，因此精度更高，稳定性与可靠性更好，且有更高的抗振动性能，可用于各种恶劣的工作环境。

⑷蓝宝石压力传感器

蓝宝石压阻式压力传感器以机械性能高度稳定的人造蓝宝石为承压材料。其主要特点是长期稳定性好，温度范围宽（允许介质温度－196～400℃），抗振动。主要用于介质温度特别低或特别高的场合及航天、航空和军事用途。

2、电容式压力／差压传感器的工作原理

电容式压力/差压传感器是将被测压力/差压的变化转换成电容量的变化。常用的电容式压力/差压传感器根据所使用的材料不同，有陶瓷电容和金属电容两种不同的传感器。电容式压力／差压传感器的原理是将被测压力作用在一弹性膜片（承压膜片）上，使膜片产生与压力成正比的位移，弹性膜片作为电容器的一个极板（金属或附有导电材料），另一极板是一与弹性膜片平行，位置固定的导电材料片。弹性膜片的位移改变了构成电容的两个极板间的距离，使电容量发生了变化。由于电容量的变化与弹性膜片的位移成正比，弹性膜片的位移与被测压力成正比，因此实现了将压力／差压变化转换为电容量变化的目的。

⑴陶瓷电容式压力传感器

陶瓷电容式压力传感器以工业陶瓷制成弹性膜片。其结构示意图如下：

在陶瓷电容压力传感器中，被测介质压力无需经过其它介质（如硅油等）传递而直接作用在弹性膜片上，使膜片产生位移。弹性膜片的位移大小与被测压力大小成正比，因此衬底的电极与弹性膜片电极形成的电容量变化也与被测压力大小成正比。弹性膜片的最大位移不超过0.03mm。过载时，膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏，当压力恢复到正常时，其性能不受任何影响，彻底解决了其它压力传感器低量程过载能力差的缺点。陶瓷电容传感器的两个电容极板之间为真空密封，无其它随温度、湿度变化的介电物质，因此温度特性和长期稳定性均较好，工作温度范围高达-40~125℃。

由于陶瓷压力传感器没有液体的传递，无任何填充液，不会产生工艺污染，不受安装方向影响，温度特性和长期稳定性好,因此获得了广泛的应用，尤其是适用于食品、医药等卫生条件要求高的行业和场合。

⑵金属电容压力／差压传感器

金属电容压力／差压传感器采用金属壳体和金属弹性膜片。电容式压力／差压传感器的内部结构如右图所示。工作时, 高、低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传递给传感器中心的弹性膜片上。弹性膜片是一个张紧的弹性元件，受力时产生位移。其位移随所受差压的大小和方向而变化。传感膜片的最大位移量不大于0.10mm , 且位移量与差压的大小成正比。两侧的金属板与传感膜片构成了两组电容极板，传感膜片和电容极板之间的距离变化反映为电容量的变化。亦即将所承受压力／差压变化反映为电容变化。电容式传感器的温度特性好, 可承受较高的静压, 工作可靠。是目前应用极为广泛的传感器之一。

二、电路工作原理

1、普通压力变送器电路工作原理

压力变送器采用压阻式压力传感器，为普通模拟电路压力变送器。其电路组成框图如下：

激励电路:产生供传感器桥路工作所需的恒压或恒流。

放大及补偿电路：对传感器输出的电压信号（mV级）进行放大，并通过电路对传感器的非线性、温度特性进行补偿，使输出信号电压为1V左右，以满足V/I转换的需要。为了降低传感器输出的非线性，要求放大器的输入阻抗在100MΩ以上,因此电路采用仪表放大器。

V/I转换电路：将放大器输出的电压信号转换为两线制变送器输出所需的4～20mADC电流信号。

满量程输出调节：电位器调节。改变放大器的增益，保证满量程时的输出电流为20.000mADC。

零点输出调节：电位器调节。改变加在V/I转换电路输入端的偏置电压，保证输入压力为零时的输出电流为4.000mADC。

显示电路：显示电路串接在电流输出回路。有指针表头和液晶显示两种。显示电路直接根据输出电流大小显示电流值或压力值。

2、智能压力变送器电路工作原理

压力变送器采用压阻式或陶瓷电容式压力传感器，是一智能化的压力变送器。其电路组成框图如下：

激励电路：产生供传感器桥路工作所需的恒压或恒流。

A/D转换：将传感器输出的模拟电压信号转换成16位二进制的数字信号（0000H～FFFFH）。

温度传感器：数字温度传感器。将环境温度转换成数字信号输出给单片机。

单片机：接受A/D转换来的传感器输出（压力）信号，根据传感器的量程范围，计算出相应的压力和对应的输出电流。通过软件，对传感器的非线性作了分段线性化处理，大大提高了变送器的精度。单片机同时采集环境温度的变化，对传感器的温度特性进行了全面补偿，大大提高了变送器的稳定性。单片机外围设有专门的μP检测和看门狗电路，确保了在外界强干扰下电路能正常工作，提高了可靠性。单片机外围电路还包括了EEPROM，用于存放各种设置、补偿数据。通过软件，实现了对传感器的非线性、温度特性的补偿和对变送器的自动校正、自动迁移。在单片机的控制下，每隔两分钟自动对A/D转换的零点和满量程输出进行一次校验，彻底解决了环境温度、湿度变化及时间漂移对电路的影响。

D/A转换：将单片机计算的输出电流数字量转换为4～20mADC输出的模拟量。D/A转换电路为变送器专用的4～20mADC环路输出D/A芯片，保证了变送器的精度和稳定性、可靠性。

显示电路：液晶显示电路。显示被测压力或输出电流值。

按键：通过按键，可启动单片机内的零点和满量程的迁移、零点和满量程的误差校正程序，以实现变送器误差校正和量程迁移的自动化。

通信电路：提供现场总线的通信功能。可使变送器不仅有模拟量的输出，同时有数字量的输出，并且可接受外部信息，实现对变送器的管理与设置。

3、电容式压力／差压变送器

压力／差压变送器采用电容式压力／差压传感器，电子部分为普通模拟电路。其电路组成框图如下：

传感器将被测压力／差压变化转换为电容量的变化。在激励电路的作用下，将电容变化转换为电压变化。放大电路对激励电路输出的信号电压（mV级）进行放大，对传感器的非线性进行补偿。使信号电压满足V/I（电压／电流）转换的需要。V/I转换电路最终输出与被测压力成正比的4～20mADC电流信号。放大电路包括了对变送器的温度补偿和对传感器的非线性补偿。

除激励电路外，电路基本相同。电容式传感器激励电路采用了独特开关型电容充放电激励原理，利用电容充电时两端电压与电容容量的关系，通过检测电容两端的电压变化反映电容量的变化，即被测压力的变化。该激励电路的长期稳定性、温度特性指标远较一般的正弦波交流激励电路高。它从根本上克服了正弦波激励电路的频率漂移、幅度变化影响，更没有整流二极管的压降与输出信号串联导致的温度影响，使得电容式压力／差压变送器的精度、稳定性与可靠性更高。