压力传感器技术

　　压力传感器随处可见，但是你知道它的内部结构么？选择正确的技术很关键，在极端环境下这点尤其重要。　　回到机械和压力表的时代，大多数的设计都是基于一个原型，然而，当进入了电子传感器时代，一种全新的测量技术产生了。你是否应该关注这种传感器的设计？它是否采用了电磁技术？它是电容性的么？它更偏向于应变仪还是晶振？你到底应该对此给予多少关注？　　对于普通的应用场合，任何一种方法都可以满足需求，然而，如果你需要极高的性能，或者需要考虑极端条件的时候，优劣自分。　　评价压力传感器技术应对如下诸多参数进行考核：　　■ 精度（读数与真值之间的误差）　　■ 线形度（信号对应于压力变化的线性度）　　■ 重复性（对同一压力的读数差异）　　■ 磁滞现象（不同点回归现象）　　■ 耐久度（可以承受多次高/低压循环）　　■ 稳定性（能够保持读数稳定）　　■ 抗电磁干扰性（对本地EMI的抗性）　　■ 温度区间（可以忽略过程温度变化/环境温度极限）　　■ 物理敏感性/抗干扰性（抗压力、撞击和振动）　　■ 运行区间（适合工作压力）　　■ 时效模式（可视化读数，释放或污染过程流）　　■ 安全性（可以用于危险区域或者不可以 ）　　■ 功耗（可以电池供电或者不可以）　　■ 输出信号（何种格式，模拟/数字）　　■ 材料（温度极限，抗腐蚀性）　　■ 体积　　■ 费用　　其中一些参数可以测量并在生产商资料中给出，但是其他却很难明确指定。例如，世上任何设计都会有精度和温度限制，但是稳定性和抗干扰性就不那么容易量化，更别提比较。一些参数与传感器技术本身有关，一些由信号处理或用例设计来决定。　　膜片一边的压力会导致膜片形变，电子测量技术实际上都是基于对此形变的测量。在不同方向上，可能有2个或者1个膜片。生产厂商所用的膜片的不同，导致测量形变所代表的意义也不同。　　主要的技术是电容测量、压电测量和应力测量（见本文后面的注解）。较少使用的方法包括共振频率、电化学、磁力或其他技术。每一种技术都有其优点和局限性。　　有多少种设计　　有些公司专注于一种到两种方法，并将其扩展。有些公司提供多样化的产品和技术。例如，Endress+Hauser公司的陶瓷膜片电容传感器。压力产品部经理Mark Repko说道：“我们的Ceraphire陶瓷膜片传感器提供了高精度和高稳定性的压力测量，在很多金属膜片容易失效的场合它都表现出色，例如高温真空环境、打浆机、化学腐蚀和经常的过压（例如水锤）。”　　Crystal Engineering公司的设计采用了油浸硅晶体压阻技术。市场部主管Miranda Battenburg说道：“我们的仪表是电子式的，所以没有运动部件，更不会被振动或者移动影响，这对于加工工场和精炼厂是理想的选择。膜片以硅树脂油为载体，传感元件直接感测由油传过来的压力，而不与膜片直接接触。这可以保护传感元件免受流经化学物质的损坏。”　　横河改变方向，开发出了两种采用新传感技术的方法。变送器产品经理Allen Erwin说道：“1990年，横河开发了独一无二的电子压力传感器，代替差分电容和抗压阻技术。抗压阻和电容技术始于20世纪60年代，我们采用数字传感器的DP harp系列压力变送器代表了最新的压力传感技术。此技术所带来的性能、特性和收益上的改进对很多新产品起到了推动作用。”　　对传统的机械技术进行了电子化升级，Ashcroft公司的模拟直读波登管压力表可以提供电子输出。Ashcroft公司的压力变送器产品经理Mark Zabawa说道：“Xmitr设计基于涡流传感器，这将波登管的机械振动转换成电子信号。波登管上有标尺，在两线圈之间移动，提供与被施加压力相符合的信号。这为用户提供嵌入设备本身的本地和远程压力读数，并可以与现有压力控制系统直接接口。”　　其他公司采用更多的技术，为相应工作提供相应工具。霍尼韦尔传感与控制公司的压力器具全球工程负责人Lamar F.Ricks说道：“霍尼韦尔传感与控制公司在传感器工业中由最广泛的压力传感技术组合。S & C 压力产品中所使用的技术包括粘贴式应变计、粘贴箔式应变计、压阻式力敏硅传感器、油浸型压阻式力敏硅传感器、薄膜、先进厚膜（ATF）和表面波。”　　有如此多的可选技术，如何决定向客户推荐哪种技术？Rick补充道：“油浸型压阻式力敏硅传感器技术或许是压力变送器产品中选用最广泛的技术了，它是一种带有过程记录的高度可靠稳定的技术，采用了媒介隔离压力传感解决方案，适用于重载和恶劣环境中的压力传感应用，可以与牌号316的不锈钢兼容使用。先进厚膜（ATF）应变计技术虽然是最近产生的，但是已经经过了实践考验，具有很多独一无二的优点和性能优势，尤其适用于某些特定应用领域，例如水力学。基于ATF技术的解决方案具有高可靠性，在动态压力环境中提供平均故障时间间隔。”　　如何选型　　很多最终用户都有内部的选型文件用于选择特殊仪器生产商。但是如果你是第一次选型，对于如何选择技术，如何知道是否为正确工作选择了正确的工具，什么才是最好的方法呢？　　阿美特克公司PMT压力传感器产品经理Kevin Lavelle说道：“对于大多数过程仪表，用户必须与生产商沟通以确定最合适的技术。例如压力区间、性能、环境要求和性价比都是选择技术的关键因素，在决定选择哪种方法来完成项目之前，用户必须对各种压力传感技术进行评估，衡量各种指标。”　　评判一个选择是否合适也要知晓哪些方案在什么时候不能使用。生产商通常都很清楚对于某些特定应用哪些设计方案是不能采用的。高级仪表产品经理Roger Saba说道：“图尔克公司的传感器技术采用陶瓷薄膜、适配器、外壳和O型圈等部件，对于这种传感器设计方案，媒介与陶瓷膜片、O形圈河适配器接触，这些传感器型号只可以用于良好的环境中，例如空气、清水和脱硫天然气等不需要真空密封圈的场合，媒介压力可以达到1000psi。这些传感器并不适用于氨水、氢、油和气体产品、氧化和很多其他温和或严酷的场合。”　　技术还是性能　　如果一台已有设备已经具备了满足过程条件要求的必备能力，包括精度、量程、工作温度等，你还会介意它到底采用了什么传感技术么？ABB仪表公司的产品经理Allen Hood说道：“今天，从整体上选择一台仪器以适应于你的应用才是更加实际的，很多压力仪表针对你的关键指标都有各种可选型号，不管是精度、材料还是特性与功能。”　　HBM公司总裁Kevin Coffey每天都在与极端应用打交道，他知道这些选择的重要性。他建议道：“越高的压力，就需要仪器具有越高的耐久力。基于HBM公司的压力传感器的应力计与其他类别的传感器是不同的，因为在超高压下，多次压力循环周期它们仍能保持高精度和温度稳定性。”　　缺乏细节　　那些处理更温和过程的生产商始终会说传感器的选择很重要，但是在他们的材料中却不会出现很多具体的传感器技术的讨论。大多数用户和生产商明白每一种方法都有其优点和弊端。对某种技术比较熟悉的公司知道如何通过机械设计和电子矫正来减少错误的发生。在当今的设计工具中，先进信号处理是必不可少的过程，它可以改善几乎任何传感器的性能。　　艾默生的罗斯蒙特部门压力产品副总裁Scott Nelson在其从事仪器行业的20年间，经历了很多变化：“过去我们对销售人员进行培训，灌输如下思想：传感器是关键，我们的工具都是以传感器为中心的。但是随着处理器的出现，大量电子误差有处理器矫正，传感器变得更可靠了。罗斯蒙特的变送器和很多我们竞争者的产品都远远优于20年之前。我不记得上次我与美孚、道化学或者埃克森讨论压力传感器技术是什么时候了，虽然这些对于流量和液位仪仍是普遍问题。”　　一台简单的压力仪表也比眼睛具有更高的感测能力。阿美泰克公司的Lavelle说道：“我们所有的压力产品都有内部温度补偿。一些模块具有板载温度测量功能，作为可选输出。阿美泰克PMT压力传感器看到了对多参数设备需求的增长，因为一台这种设备就可以输出静压、差压和温度。这很有用处，因为用户通过一台设备的输出，就可以对差压进行测量，并对静压和温度效应进行补偿。我们的客户正在减少传感器的‘引脚’，这对于OEM很重要，可以减少管道系统的穿透，最优化功率管理，减少空余部件总量。”　　Nelson说这些能力是一个好的开始，但是现在的工程师需要更多。他补充道：“我们昨天与客户沟通的内容是‘是的，我们需要知道你们仪器产生过程变量（PV）的稳定性，但是我们更想知道你们的仪器如何帮助我们改进整个规划以及资产的安全性和效率。’然后讨论转移到了我们监控过程签名所使用的先进诊断技术，用来分辨管道中流过了什么物质，驻留了什么物质。我们以每秒22次的速度提供过程平均值或者标准偏差，以及其他低于或高于PV的信息。仪表的智能性和能力让人难以置信。当用户设置变化时，一台压力变送器可以提供十分准确的差压或者绝对压力、过程温度、设备温度，实时计算流量，同时提供平均值、标准差和其他指标。而且完成这些功能不会比20年前的产品需要更多的功耗。”　　“对于我们的客户来说，这些过程诊断越来越有用处，如果你的工厂中要使用到上千台压力变送器，这些过程诊断就像管道的听诊器一样，使用外部设备，监控过程变化。如果液体通过孔板或者平均皮托管流经管道，你将获得稳定的平滑信号。如果工厂发生事故，导致流经的媒质发生变化，例如空气气泡或者气体中掺入了液体或固体微粒，噪声型号将明显变化，变送器的快速智能反应使我们得以对过程安全性和其他变化进行诊断。知道的同时即可作出反应，还有很多类似的能力。”　　最终什么才是关键？　　当看着空白页面试图决定给哪个供应商打电话时，你应该找到尽可能多的关于你的流程的答案。回到文章开始的问题列表，看看你到底能回答多少。你需要多高精度？压力变化的动态特性如何？工作温度区间？在给预期供应商打电话的时候，手中有这些数据比仔细考虑传感器技术要重要的多。　　注解：　　电容传感器
　　这种方法机械结构简单，适用于差分、计量和绝对配置。内部电子转换功能具有良好的信噪比，同时兼具足够的温度敏感性，便于内部输出矫正。电容传感器具有高精度，但是与其它技术相比，它的工作温度区间较窄、较小的实际压力测量区间，虽然这两个参数对于大多数过程应用已经足够了。电容传感器的薄膜是一块充电板，跨过缝隙与固定板相对放置，膜片形变，导致片间电容变化。膜片可以使金属或者陶瓷材质。　　电容设计采用较小电流，使得其适用于电磁供电的无线应用。内部温度传感器可以作为另一个过程变量使用。　　压电传感器　　这种方法使用很广泛，不同供应商之间的设计有很大差异，所以难以一概而论。膜片将压力施加到晶体上，根据形变的不同或晶体上压力的不同，晶体可以产生电荷（压电现象）或者导致电阻变化（压阻现象）。膜片可以直接与晶体接触，或者通过硅树脂油将压力传导至晶体上。这种方法可以适应于各种尺寸和规格。虽然不像电容传感器那么精确，但是有更宽的工作温度区间和更高的适用压力区间。膜片可以使金属或者陶瓷材质的。
　　他们对温度也具有敏感性，通常具有内部温度传感能力，用于校准主测量参数。此温度检测也可以作为另一个过程参数。　　共振频率　　横河设计的用于替代其早期压力产品的DP harp传感器的测量表面实际上是一组不到1平方毫米的单晶硅桥。两个小型共鸣器通过MEMS（微电子机械系统）加工 技术被微加工到硅片表面。这些共鸣器受到处理器和周围磁场激励。拉伸应力导致一个共鸣器动作，另一个共鸣器产生共鸣。当硅基在某个方向上产生形变，共鸣器的频率就会发生变化，通过测量这个频率变化可以得知形变量。通过对共鸣器频率做数学上的比较，得到压力输出信号。因为硅传感器可以在各个方向上发生形变，这种设备可以用于普通的压力计或者差压计。
　　应力传感器　　与压电传感器一样，应力传感器的设计很多样，包括薄膜、厚膜、粘贴箔片式等等。应力计通常直接安装在传感器的金属膜片上用于测量形变。这种设计具有最宽泛的工作区间。
　　温度区间宽而且具有高工作压力是这种技术通常都是极端温度情况下或者psi测量值是4位、5位情况下的的首选。这类产品中的不同技术对功耗和产生输出的必备信号数量有不同的要求。　　应力计对温度很敏感，所以内部校正是必备的，此温度可以作为过程参数使用。