压力传感器故障（共10篇）
压力传感器故障 篇1
1 进气管绝对压力传感器安装位置
进气管绝对压力传感器安装在进气道上, 节气门后方。
2 进气管绝对压力传感器结构
电喷发动机中采用进气管绝对压力传感器检测进气量, 称为D型喷射系统 (速度密度型) 。该传感器将检测节气门体后方真空度的变化情况转换成信号电压送至电子控制器 (ECU) , ECU依据此信号电压的大小, 控制基本喷油量的大小。进气管绝对压力传感器按其检测原理可分为压敏电阻式、电容式等。由于压敏电阻式具有响应时间快、检测精度高、尺寸小且安装灵活等优点, 因而被广泛用于D型喷射系统中。
2.1 压敏电阻式进气管绝对压力传感器
压敏电阻式进气管绝对压力传感器主要由绝对真空室、硅片和IC放大电路组成。硅片的一侧是真空室 (绝对压力为0) , 而另一侧承受进气管内的压力, 在此压力的作用下使硅片产生变形。由于真空室的压力是固定的, 而进气管绝对压力是变化的, 所以硅片的变形量不同。硅片是一个压力转换元件 (压敏电阻) , 其电阻值随变形量而变化, 导致硅片所处的电桥电路输出电压发生变化, 电桥电路输出的电压 (很小) 经IC放大电路放大后输入ECU。
2.2 电容式进气管绝对压力传感器
电容式进气管绝对压力传感器由弹性膜片、输出端子和壳体等组成。电容式进气管绝对压力传感器利用电容效应检测进气管绝对压力。发动机工作时, 进气管内的空气压力作用于弹性膜片上, 使弹性膜片产生位移, 弹性膜片与两个金属涂层之间的距离发生变化, 一侧距离增大, 而另一侧距离减小, 在弹性膜片与两个金属涂层之间形成的两个电容的电容量一个减小, 另一个增加。电容量的变化与弹性膜片的位移成正比, 而弹性膜片的位移取决于上、下两个空腔的气体压力, 弹性膜片上部的空腔为绝对真空, 下部空腔通进气管, 则可通过检测电容量的变化来检测进气管的绝对压力。电容量的变化量再经过测量电路转换成电压信号输入ECU。测量电路可以是电容电桥电路或谐振电路等。
3 进气管绝对压力传感器检修
丰田皇冠3.0轿车进气压力传感器电路图如图1所示, ECU通过端子VCC给传感器提供5 V电压, 传感器信号经端子PIM输入ECU, E2为搭铁端子。检测时, 将点火开关转至“ON”位置, 检测ECU端子与E2之间的电压, 应约为5 V;用手动真空泵给传感器施加真空度, 传感器输出的信号电压应随真空度增加 (绝对压力减小) 而下降, 表1是该传感器的检测标准值。
参考文献
[1]汤子兴, 邵玉平.电控发动机技术问答[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[2]王丽梅.汽车发动机构造与维修等[M].北京:中国人民大学出版社, 2009.
压力传感器故障 篇2
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。
我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
在现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。
实际应用
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。
医学常用的压力参数有：血压、颅内压、眼内压、肠内压、肺泡压等，其中最常规的测量内容是血压(Blood Pressure ,BP)。医学上测量的血压有动脉压、静脉压和心内压（包括心室压、心房压）等，每种压力信号又包括：收缩压、舒张压、平均压。
血管内的血液在血管壁单位面积上垂直作用的力，称为血压。当人的心脏收缩时，动脉内的压力最高，此时内壁的压力称为收缩压，亦称高压；心室舒张时，主动脉压下降，在心舒末期动脉血压的最低值称为舒张压，也称为低压。血压的测量，就是采用某种方法检测和记录血压的收缩压、舒张压等数e 以及测量血压的动态变化。血压的数值一舱表示为绝对压力与大气压之差。血压测量的压力范围为 0 ～ 300mmHg。皿压测量的频串范围通常为 0 ～20Hz。在常规的临床检查中，常常采用人工方式，使用由气袖、压力计和听诊5B等部分组成肋脉K 计，间接测量人体的收缩压和舒张压。与此同时在心血管功能检查、病人监护、生理实验、以及体格检查中，广泛使用带有各种血压传感器的电血压计，尽管这种仪器十分的准确，技术十分成熟，但是仍存在诸如携带不方便，读数困难，患者基本不能自测等弊病。德国的赫曼腕式血压计，通过大规模集成电路，通过往腕带中充气加压，再通过传感器使得压力信号转化成为电信号，这样不仅大大缩小了总体积，还配上一个脉搏传感器，就可以在测量血压的同时完成测量心跳，单位换算等诸多功能，十分方便，为患者自行诊断提供了可能。
电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：
ρ=RS/L
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）
S ——导体的截面积（cm2）
L ——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
陶瓷压力传感器原理及应用
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
扩散硅压力传感器原理及应用
工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷使膜片 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，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
蓝宝石压力传感器原理与应用
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计特性。
蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。
用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
表压压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。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）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
压电压力传感器原理与应用
压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。
结构
金属电阻应变片的内部结构
电阻应变片的结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
原则
现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。
1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
2、灵敏度的选择
通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。
传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感器的交叉灵敏度越小越好。
3、频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。
4、线性范围
传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
5、稳定性
传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
6、精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
智能压力传感器的研究 篇3
关键词 智能压力传感器 结构特点 数字采集与处理 设计
中图分类号：TP212 文献标识码：A
0引言
传感器是获取和转换信息的一种工具， 是计算机与自然界相联系的桥梁，作为过程控制和自动化技术的前沿环节，传感器已遍及到当今社会的各个领域。纵观其发展过程，可划分为三个阶段：
（1）结构型传感器，其特点是原理简单、性能可靠；
（2）物性型传感器，其优点是结构牢固，体积小，质量轻、响应速度快；
（3）八十年代刚刚发展起来的智能传感器（或称灵巧传感器），它是随着大规模集成电路和微处理机技术而迅速发展起来的，是微处理机高性能化低成本化的产物。
在我国的现代化建设中，各个企业的自动化水平在不断地提高。大型自动控制系统的信息从集中处理型向分散处理型发展是自动化技术发展的一个方向，同时也是广大企业所迫切要求的。因此，智能传感器在我国有着广阔的发展前途，有着日益繁荣的市场。
1智能传感器的结构特点
传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。通常把传感器的特性分为两种：静态特性和动态特性。静态特性是指输入不随时间而变化的特性，它表示传感器在被测量的各个值处于稳定状态时输入与输出的关系；动态特性是指输入随时间而变化的特性，它表示传感器对随时间变化的输入量的响应特性。
传感器除了描述输入与输出量之间的关系特性外，还有与使用条件、使用环境、使用要求等有关的特性。
2智能传感器如何进行数据采集和数据处理
传感器之所以智能化是因为其可以将检测值转化为电信号进行传输。且被检测信号种类繁多，输出的信号有模拟量、数字量、开关量等，当然在使用这些信号之前，必须先通过各种预处理电路将传感器输出信号转换成统一的电压信号或周期信号，因为其中绝大多数传感器输出信号不能直接作为A/D转换的输入量。
数据采集：传感器信号经过与处理成为A/D变换器所需要模拟信号，模拟电压的数字化则要依赖于模拟转换器（A/D），它通过采样、量化和编码将输入信号变换为数字信号。
数据处理：传感器的数据输出信号经过A/D转换器转换，所获得的数字信号一般不能直接输入计算机供应用程序使用，还必须根据需要进行加工处理，如标度变换、非线性补偿、温度补偿、数字滤波等，以上这些处理也称软件处理。
3智能压力传感器的设计方案
3.1结构设计
本文设计的传感器提供了一种精确测量压力的系统方法，他将三种技术融为一体：硅压阻传感元件、微型计算机和信号处理。它可提供温度补偿和非线性度补偿，并且每台传感器同时具有数字信号输出和模拟信号输出。根据设计要求，智能压力传感器应采用低价格、小体积、高性能价值比的8位微处理器 （单片机 ）MSC1211Y5控制，用以实现传感器信息的处理、数字通信和智能化管理。
传感元件位于传感器系统之首，被测压力量需由它转换为电信号才能供给电路处理，因此它的性能对传感器系统有着很大的影响。本文采用固态压阻式压力传感器，其机构包括外壳，硅膜片和引线。其核心部分是一块圆形硅膜片，膜片周围用硅环固定，通常称为硅环。膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，另一个是低压腔，一般与大气相通，也有做成真空的。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的电阻：R1、R2、R3、R4。四个电阻用导线接成平衡电桥。当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出响应的电压，其电压大小就反映了模片的压力差值。利用电阻的特征，选择适当位置布置电阻，使其直接入电桥四臂中，从而构成全等臂差动电桥。这样既提高了灵敏度又部分消除温度影响误差。
3.2软件设计
软件是整个系统的重要组成部分，系统的人机对话、数据的输入输出，数据处理等功能都通过软件来实现的。因此开发一个性能优良的应用软件是实现整个系统正常可靠运行的重要前提。本论文采用VC++编程语言，对系统的智能功能进行设计。
软件的设计完全按照结构化的程序设计来完成，将整个程序细胞划分为若干个子程序（模块），方便调试与检查，有了各个功能快的软件实现方法，软件的总体设计就变的简单了，软件设计中一个重要的思想是采用模块设计，把一个大的任务分解成若干个小任务，分别编制实现这些小任务的子程序，然后将子程序按照总体要求组装起来，就可以实现这个大任务了。这种思路对于可重复使用的子程序显得尤为优越，因为不仅程序结构清晰，而节约程序空间。
智能压力传感器软件有如下几个模块：
（1）对微处理器MSC1211Y5各种寄存器、A/D转换器和D/A的校准转换器进化初始化；
（2）对A/D转换器的校准包括各通道增益、零点漂移矫正；
（3）现场压力和温度数据的采集；
（4）压力传感器的温度补偿和非线性补偿；
（5）A/D输出，D/A数据输出；
（6）与上位机的通讯。
压力传感器故障 篇4
笔者在仪器的日常维护和故障处理过程中积累了一些经验并加以归纳总结现介绍如下以供参考。
维修案例1
故障现象RBC DILUENT SYRINGE OVERPRESSURE (RBC稀释注射器内压力超过规定值)。
故障原因①分血阀堵塞;②分血阀安装、转运不正常;③压力传感器故障。
解决方法(1)当分血阀堵塞时:①仪器上操作MAIN---->SPECIAL PROTOCOLS---->CLEAN SHEAR VAL排空变换器内的气体和液体;②卸下分析仪前面、左右两边的外板和分血阀的定位栓;③卸下分血阀的前阀片和后阀片,中心阀片,注意中心阀片应小心取下,防止滑落;④向中心阀片的切分检测孔内滴入酶液,用小刷子进行两面刷洗,用蒸馏水清洗,再用纱布沾取蒸馏水擦洗前后阀片.整个过程中,中心阀片应保持湿润,勿使其干燥,亦可取一烧杯,将中心阀片放置于蒸馏水中浸泡;⑤如连接分血阀接口的管路堵塞比较严重,可用针筒轻轻放入管口处,往外抽取血凝块,或用金属丝疏通管路,包括探针连接的两条管线(一条是吸样管线呈S形,一条是通气管线呈V形)堵塞也可按此方法进行疏通;⑥装好分血阀,拧紧定位栓螺丝;⑦装上仪器外壳;⑧仪器上操作RESTORE SHEAR VAL进行复位;⑨测试样本观察是否恢复正常工作。
(2)分血阀安装、转运不正常:重新安装分血阀。
(3)压力传感器故障:由于仪器发出分血命令开始后直至CPU命令将分离出的定量血液输送到各个相应检测室进行稀释并测量压力传感器一直起到监控作用。用止血钳夹住压力传感器前面的管道将压力传感器从液路中脱离如仪器重新初始化运转仍能正常工作可以判断压力传感器有故障更换新的压力传感器即可。
故障案例2
故障现象SAMPLE ERROR (样本错误)。
故障原因常见的原因有以下几点:①开放式样品探针堵塞;②探针连接两条管线堵塞;③分血阀堵塞。
解决方法(1)当开放式样口探针堵塞时,仪器上操作MAIN--->SPECIAL-PROTOCOLS--->DISABLE-ANALYZER。在探针下部放置烧杯,配好1%～2%次氯酸钠溶液,拔下将连在探针上端的管线,取5ml针筒抽取已配好的溶液,将注射器与探针接上,探针中注入溶液,以此消毒并疏通管道中残余血凝块,亦可用金属丝除去堵塞物,将注射器拔下,连接好管线。测试标本观察是否正常。
(2)探针连接两条管线堵塞拔下与探针相连的管线,用5ml针筒抽取已配好的溶液,将注射器与探针接上,进行冲洗即可。
(3)分血阀堵塞采用故障案例一中同样的处理方法处理。
故障案例3
故障现象CLOG (堵孔)。
故障原因常见的原因有以下几点:①由于蛋白质长时间的粘附聚集,堵塞宝石孔,或血凝块堵住宝石孔;②负压不足,可能是计数池的密封性能不好,也可能是负压泵出现故障或管路泄漏,使得液体无抽吸的动力。
解决方法(1)宝石孔堵塞堵塞仪器上操作MAIN---->SPECIAL PROTOCOLS---->EMPTY XDUCERS。等待变换器内壁的液体排空后,拉开红色拧杆,取出上下两个宝石孔(一个是用来计数白细胞,另一个是用来计数血小板和红细胞),将酶液滴在宝石孔中间凹处,浸泡几分钟;用仪器配套的小毛刷轻轻按顺时针方向刷洗凹处,直至起泡。再用蒸馏水清洗、冲洗宝石孔,同时注意不要用力过大冲破小孔。安装宝石孔时,注意方向不能装反,且拧紧拉杆;仪器上操作FILL XDUCERS等待液体充满变换器装置;进行本底测定,观察数值是否控制在标准之内。
(2)负压不足计数池的密封性能不好,更换计数池;负压泵出现故障,调节负压泵的负压值或更换负压泵;管路泄漏,更换相关的管路。
故障案例4
故障现象本底不稳定、重复性差。
分析和解决方法这类问题在仪器使用过程中经常出现,对这类问题的解决需要耐心和细致。处理这类问题的思路是首先分析是否由试剂质量引起,可通过更换试剂或者用注射用生理盐水替代法作出判断(注意不要用蒸馏水,因为蒸馏水不导电,在电阻法的机器上做蒸馏水测试,结果都是0)。如果是试剂问题,更换不同批号的试剂解决。
地线问题也是出现此类故障的主要原因。医院里预埋的标准地线由于时间长远,可能导致接地性能变差,从而对仪器的本底测试结果产生不良影响。通过检查的手接地法就可判断断是地线接地的可靠性和有效性,解决的方法是改善地线接地条件。
参考文献
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压力传感器原理与应用知识简介 篇5
一、压力相关概念
压力：流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕（符号为Pa）。
1、绝压：以绝对真空（零压）为基准来表示的压力（PA）。
2、差压：两处的压力差值（PD=P1-P2）
表压：以实际大气压为基准来表示的压力（PG）。当P2为大气压时，PG等于PD。
密封压：以标准大气压为基准来表示的压力（PS）。当实际大气压等于标准大气压时，密封压等于表压，所以密封压是表压的一个特例。负压：小于实际大气压时的表压力（也叫真空压），负压也是表压的一个特例。
二、压力传感器
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。
1、应变片压力传感器
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。
在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU）显示或执行机构。
金属电阻应变片的内部结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。
电阻应变片的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：R=ρ×L/S
式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）
S ——导体的截面积（cm2）
L ——导体的长度（m）
我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。
2、陶瓷压力传感器
抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。
陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。
3、扩散硅压力传感器
工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），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，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
扩散硅广泛应用在表压、绝对压力、差压（流量）、液位变送器及压力开关中。
4、蓝宝石压力传感器
利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n
漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。
用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。
表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。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）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。
传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。
5、电容式压力传感器
利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
单电容式压力传感器
它由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。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。它还与各种补偿和保护部以
及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。
差动电容式压力传感器
它的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。
6、压电压力传感器
压电式传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。
压电效应是压电式传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。
压电式传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇
航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。
浅析高温压力传感器的发展 篇6
1 高温压力传感器的研究现状
1.1 SOI高温压力传感器
SOI (Silicon On Insulator) 高温压力传感器是由新型半导体材料 (SOI) 制成而成。作为一种半导体材料, SOI具有半导体的优良性能, 比如耐高温、可靠性高等。这些特点也正符合高温压力传感器的设计要求。
目前, 美国Kulite公司已采用BESOI技术研发出XTEH-10LAC-190 (M) 系列超高温压力传感器, 最高测量温度可以达到480℃;法国的LET1研究所目前也正在研发测量温度能达到400℃的SOI高温压力传感器;我国西安交通大学已运用先进的SIMOX技术成功研发出能在250℃下正常工作的微压力传感器。这虽然不及外国的研究成果, 但在国内也算是一个突破。
1.2 Si C高温压力传感器
Si C (Silicon Carbide (Black) ) 高温压力传感器以新型半导体材料 (Si C) 为膜片的压阻式力传感器。1997年, Ziermann、Rene、Von Berg和Jochen最早发现了Si C材料并将其应用于单晶n型β-Si C压力传感器的制作中。当时, 由这种材料制成的高温压力传感器可承受300℃的温度。Si C材料的发现为之后Si C高温压力传感器的发展奠定了基础。而NASA (美国国家宇航局) 的Galenn研究中心也曾研发出Si C高温肖特基二极管和最高测量温度可达500℃的高温压力传感器。我国西安电子科技大学曾利用APCVD系统成功研发出3C-Si C高温压力传感器。该传感器综合了单晶硅和多晶硅的优点, 各项性能指标良好。
1.3 SOS高温压力传感器
SOS (Silicon On Sapphire) 高温压力传感器最出现于20世纪80年代, 又被称为硅-蓝宝石压力传感器。与硅相比, SOS可以克服温度特性和化学特性, 具有良好的机械性能和化学惰性, 且不产生滞后效应, 是一种非常理想的压力敏感元件。SOS高温压力传感器采用的制造材料——蓝宝石是一种单晶体氧化物, 是氧化物晶体中最硬的, 具有很好的耐温性、化学惰性、电敏感性、光学性和绝缘性。但是, 由于蓝宝石单晶片的成本是硅片的10倍以上, 且蓝宝石材料的硬度高、耐腐蚀性强, 加工时有一定的难度, 因此, SOS高温压力传感器的生产和推广具有一定的局限性。
1.4 多晶硅高温压力传感器
多晶硅是半导体集成电路中应用广泛的一种薄膜材料, 最早于1966年由Bower R W和Dill H G在美国华盛顿特区举行的国电子器件会议上提出。多晶硅材料的薄膜结构在很大程度上影响着其物理性能, 而其化学性能通常取决于所掺杂的物质类型和浓度。但是直到20世纪80年代中后期, 人们才提出利用这种具有较大压阻系数和良好温度特性的多晶硅来制作高温压力传感器。
目前, 天津大学的微电子技术研究室已经研发出工作温度为-40~200℃、最大量程达10 MPa的多晶硅高温压力传感器;哈尔滨工业大学所研制的多晶硅高温压力传感器的最大压力能达到6 MPa;而美国Foxboro公司已经实现多晶硅高温压力传感器的产品化。
1.5 光纤高温压力传感器
光纤高温压力传感器是利用光的调剂原理制作而成。这种传感器本身具有耐高温的特性, 如果在其外层涂上耐高温保护层, 可以提高其承受的最大温度。光纤技术自20世纪70年代出现以来, 在通讯领域运用得较多。由于该技术抗干扰能力强、储存信息量大, 因此被应用于传感器的制备中。但是, 光纤技术也有自身的缺点——光纤所涉及到的系统比较复杂, 需要有光源、光的调剂、检出手段及光传输中必要的透镜, 再加上光纤自身的多元特性不稳定, 会对测量精度造成一定的影响, 因此, 光纤技术在高温压力传感器领域的应用还不够成熟。
1.6 陶瓷厚膜高温压力传感器
陶瓷厚膜高温压力传感器是20世纪70年代被发掘的一种新的传感器, 发展速度十分迅猛。此种传感器除了具有耐高温、耐腐蚀、集成化程度高的特点外, 成本还特别低。陶瓷厚膜高温压力传感器是借助丝网印刷技术和厚膜传感技术研制而成的, 它的工作温度一般可达150℃, 但由于印刷均匀性对传感器的影响较大, 因此一般需要用激光修正。除此之外, 陶瓷厚膜高温压力传感器也有一定的缺陷——灵敏度较差。目前, 只有瑞士Kistler公司拥有此类产品, 其研究范围相对来说较小。
2 高温压力传感器的发展趋势
高温压力传感器的发展水平直接影响到高温核心装备的工作效果。现阶段, 高温压力传感器的研究机制仍存在诸多弊端。为了使传感器获得更好的发展, 还需要从以下几个方面加以完善: (1) 研发新材料。目前制备高温压力传感器所使用的材料都有一定的缺陷, 因此, 研发新材料以解决现存问题刻不容缓。 (2) 完善加工工艺。加工工艺对产品的效能有着直接的影响, 现在除了集成化加工工艺较成熟外, 其他工艺效果都不太理想, 因此需要新的制备工艺来完善传感器的研制。 (3) 研究方法多样化。虽然目前高温压力传感器的种类很多, 但是真正实用的却很少。鉴于目前的研究状况, 相关人员需要另寻新的研究方法, 以全新的思路来弥补当前研究中的种种不足。
摘要：压力传感器的发展对测控工作起着重要的指引作用。常见压力传感器的测量温度都在200℃以下, 无法精准测量高温下的压力。因此, 国内外有很多学者致力于高温压力传感器的研究。主要探讨了高温压力传感器的发展现状、存在的问题及未来的发展趋势。
关键词：高温压力传感器,半导体材料,多晶硅,光纤技术
参考文献
[1]张玉书, 张维连, 张生才, 等.SOl高温压力传感器的研究现状[J].河北工业大学学报, 2005, 34 (2) :14-19.
MEMS压力传感器及其应用 篇7
关键词：MEMS压力传感器,惠斯顿电桥,硅薄膜应力杯,硅压阻式压力传感器,硅电容式压力传感器
MEMS (微机电系统) 是指集微型传感器、执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的微型机电系统。
M E M S压力传感器可以用类似集成电路 (IC) 设计技术和制造工艺，进行高精度、低成本的大批量生产，从而为消费电子和工业过程控制产品用低廉的成本大量使用MEMS传感器打开方便之门，使压力控制变得简单易用和智能化。传统的机械量压力传感器是基于金属弹性体受力变形，由机械量弹性变形到电量转换输出，因此它不可能如MEMS压力传感器那样做得像IC那么微小，成本也远远高于MEMS压力传感器。相对于传统的机械量传感器，MEMS压力传感器的尺寸更小，最大的不超过1cm，使性价比相对于传统“机械”制造技术大幅度提高。
MEMS压力传感器原理
目前的MEMS压力传感器有硅压阻式压力传感器和硅电容式压力传感器，两者都是在硅片上生成的微机电传感器。
硅压阻式压力传感器是采用高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥作为力电变换测量电路的，具有较高的测量精度、较低的功耗，极低的成本。惠斯顿电桥的压阻式传感器，如无压力变化，其输出为零，几乎不耗电。其电原理如图1所示。硅压阻式压力传感器其应变片电桥的光刻版本如图2ㄢ
M E M S硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用M E M S技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯顿测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电量，其测量精度能达0.01%～0.03%FS。硅压阻式压力传感器结构如图3所示，上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成如图2的电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此而发生电阻变化，破坏原先的惠斯顿电桥电路平衡，产生电桥输出与压力成正比的电压信号。图4是封装如IC的硅压阻式压力传感器实物照片。
电容式压力传感器利用M E M S技术在硅片上制造出横隔栅状，上下二根横隔栅成为一组电容式压力传感器，上横隔栅受压力作用向下位移，改变了上下二根横隔栅的间距，也就改变了板间电容量的大小，即△压力=△电容量 (图5) 。电容式压力传感器实物如图6ㄢ
MEMS压力传感器的应用
M E M S压力传感器广泛应用于汽车电子：如TPMS (轮胎压力监测系统) 、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器 (TMAP) 、柴油机共轨压力传感器;消费电子，如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器、洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器;工业电子，如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
典型的M E M S压力传感器管芯 (die) 结构和电原理如图7所示，左是电原理图，即由电阻应变片组成的惠斯顿电桥，右是管芯内部结构图。典型的MEMS压力传感器管芯可以用来生产各种压力传感器产品，如图8所示。MEMS压力传感器管芯可以与仪表放大器和ADC管芯封装在一个封装内 (MCM) ，使产品设计师很容易使用这个高度集成的产品设计最终产品。
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链
MEMS压力传感器Die的设计、生产、销售链如图9所示。目前IC的4英寸圆晶片生产线的大多数工艺可为MEMS生产所用;但需增加双面光刻机、湿法腐蚀台和键合机三项MEMS特有工艺设备。压力传感器产品生产厂商需要增加价格不菲的标准压力检测设备。
对于M E M S压力传感器生产厂家来说，开拓汽车电子、消费电子领域的销售经验和渠道是十分重要和急需的。特别是汽车电子对MEMS压力传感器的需要量近几年激增，如捷伸电子的年需求量约为200～300万个。
MEMS芯片在设计、工艺、生产方面与IC的异同
与传统IC行业注重二维静止的电路设计不同, M E M S以理论力学为基础, 结合电路知识设计三维动态产品, 对于在微米尺度进行机械设计会更多地依靠经验, 设计开发工具 (Ansys) 也与传统IC (如EDA) 不同, M E M S加工除使用大量传统I C工艺, 还需要一些特殊工艺, 如双面刻蚀, 双面光刻等。MEMS较传统IC工艺简单, 光刻步骤少, MEMS生产有一些非标准的特殊工艺, 工艺参数需按产品要求进行调整, 由于需要产品设计、工艺设计和生产三方面的密切配合, IDM的模式要优于Fabless+Foundry (无芯片生产线公司+代工厂) 的模式。MEMS对封装技术的要求很高。传统半导体厂商的4英寸生产线正面临淘汰, 即使用来生产LDO也只有非常低的利润, 如转而生产MEMS则可获较高的利润;4英寸线上的每一个圆晶片可生产合格的MEMS压力传感器Die 5～6千个, 每个出售后可获成本7～10倍的毛利 (图10) ;转产MEMS改动工艺不大、新增辅助设备有限, 投资少、效益高;M E M S芯片与IC芯片整合封装是IC技术发展的新趋势, 也是传统IC厂商的新机遇。图11是MEMS在4英寸圆晶片生产线上。
参考文献
[1]颜重光.XSY系列远传数字压力表[J].传感器技术, 1990, 01
[2]颜重光.两线制压力变送器[J].电子技术, 1992, 11
[3]颜重光.新型实用传感器应用指南[M].北京:电子工业出版社, 1998
[4]颜重光.TPMS的设计方案思考[J].电子设计应用, 2004, 12
压力传感器故障 篇8
1 使用范围
重载环境主要包括温度变化范围较大 (如-40℃~125℃) 的环境, 有制冷剂、机油、制动液、液压油等恶劣介质以及使用压缩空气的环境。
重载压力传感器可用于以下领域:
◆用于暖通/制冷空调, 检测系统性能, 对压缩机入口和出口压力、屋顶冷水机组、制冷间、制冷剂回收系统以及压缩机油压进行监控;
◆用于空气压缩机, 检测压缩机性能和效率, 包括监测压缩机入口和出口压力、过滤器压降、冷却水入口和出口压力以及压缩机油压等。
2 选型标准
产品的稳定性、一致性和成本是传感器选型时需要考虑的基本要素。稳定性是系统在任何时间和地点都能够正常工作的保证, 同时, 产品的一致性也很重要, 主要表现在从包装箱内取出的一个传感器必须能够与箱内的其他任意一个传感器互换使用, 且产品性能必须与预定性能相等。除此之外, 重载压力传感器的选型标准还包括以下几项:
(1) 可配置性
使用传感器时, 需考虑产品是标准化还是定制化产品。定制选项包括连接器、压力接口、参考压力类型、量程以及输出形式等。
(2) 总误差范围
总误差范围是一种全面、清晰的重要测量参数, 其组成如图1所示。它描述了装置在补偿温度范围 (-40℃~125℃) 内的真实精度, 对于衡量产品的一致性以及确保产品的互换性非常关键。例如, 总误差范围为±2%意味着无论温度是多少 (只要在既定范围内) , 也无论压力是上升或下降, 误差总处于量程的2%以内。
通常, 制造商并不会在产品数据手册上列出总误差范围, 而是会单独列出各种误差。将各类误差相加, 所得的总误差范围可能会非常大。因此, 总误差范围可以作为选择传感器的重要依据。
(3) 质量和性能
许多情况下, 传感器都是按照1σ或2σ的标准制造。如果产品能按照6σ标准制造, 将具有质量高、性能高以及一致性好等优点, 可以被视为性能符合产品技术说明。
(4) 其他考虑因素
选择重载传感器时, 还应考虑以下因素:
◆必须经过补偿、校准、放大等步骤, 并且是成品——无需加配其他资源即可适应应用要求;
◆支持自定义校准或结合自定义输出的自定义校准, 能够输出各种规定电压, 在不更改设计的情况下即可满足设计规范要求;
◆符合CE指令, 满足IP防护等级要求, 平均失效时间长, 符合电磁兼容性要求, 即便在恶劣环境中也具有较高的耐用性;
◆补偿温度范围宽, 应用领域广泛, 可应用在系统的各个部分;
◆支持多种连接器和压力接口, 能够满足各种应用需求;
◆体积小, 在安置时更加灵活;
◆符合ISO 9001等工业标准;
◆总体成本, 包括集成、配置及实施成本满足需求。
压力传感器故障 篇9
光子晶体[1] (PC) 是一种将介电材料周期性排列的人造材料, 按排列维度可分为一维、二维、三维周期结构, 两种介质在二维平面上周期排列可称为二维光子晶体。光子晶体具有光能量带隙[2], 不管从哪个方向传播, 频率处在能量带隙中的光均无法通过。如果向光子晶体材料中引入缺陷或杂质, 破坏原有的周期, 它便可以选择性原本处在禁带中的光波。利用这一性质可以制作各类光器件如光波导[3]、滤波器[4]。当在点缺陷处引入非线性时, 点缺陷的缺陷模会随着入射光功率的变化而发生改变, 利用这一原理可以制作光开关[5]、光二极管[6]。而光子晶体作为传感器方面的应用还比较少。
传统方法上, 要使缺陷模发生移动需利用泵浦脉冲激励非线性点缺陷, 点缺陷的折射率在电场能量的影响下发生变化, 光子晶体结构的缺陷模也随之发生移动, 向入射光频率位置靠近。原本频率不在缺陷模处而不能透射的光信号, 它的透射率便会逐渐增大。本文在二维光子晶体点缺陷厚板结构中, 通过压力控制光子晶体厚板结构设计了压力传感器。利用基于时域有限差分技术[7] (FDTD) 的模拟软件详细分析了缺陷结构的变形对缺陷模频谱的影响。进一步地, 取一固定频率的光信号入射, 光信号可以在缺陷模的移动过程中, 透射率逐渐发生变化, 最终实现对压力的检测。该研究结果为设计压力传感器等传感器件提供重要参考。
1 结构模型
二维光子晶体厚板结构如图1所示。采用分子束外延法生长一层半导体 (如Zn Se材料) 薄膜, 通过纳米刻蚀的方法如激光刻蚀在厚板上刻蚀等间距的空气孔构成四方点阵结构, 刻蚀的空气孔的半径为R=0.3a, a表示两空气孔的中心距, 定义为晶格常数, 设a=1μm, 板厚0.6μm, 厚板的长和宽为7μm。厚板的折射率为2.5, 空气的折射率为1。通过改变中间空气孔的半径破坏光子晶体的周期性引入点缺陷, 取半径d=0.1a。
当选定的光信号从左侧入射时, 在右侧中心位置放置一探测器便可以探测到入射光信号的透射率变化。理论上, 在完整二维光子晶体的能带结构中存在一定频率带宽的能量带隙, 频率处在带隙中的光波将被阻止, 当通过改变中间空气孔的半径来破坏周期性引入点缺陷时, 原本禁带带隙中便会形成透射谱又称缺陷模, 频率处在缺陷模处的光信号可以在点缺陷处谐振并透射出去, 透射率增大。当在该结构一侧施加均匀压力时, 光子晶体厚板结构会发生变形, 从而使缺陷模的位置发生改变, 那么原本能透射的光信号其透射率因为缺陷模的偏离又逐渐降低。利用该原理可以实现压力传感器的设计。
2 数值计算及测量
采用基于时域有限差分技术的模拟软件进行数值模拟, 忽略边界效应带来的误差, 计算得到该光子晶体点缺陷结构只存在TE模 (电场与空气孔平行) 的能量禁带, 由图2可以看到, 它的第一禁带宽度为0.380 a/λ~0.540 a/λ, 其中c指真空中的光速。该光子晶体点缺陷的线性透射谱也在图中表示出来, 可以看到缺陷模的谐振频率f0=0.442a/λ, 同时可计算得到半高宽γ=7.52×10-4 a/λ, 品质因子Q=432。
再来分析光子晶体厚板材料的受压形变性能。设光子晶体的厚板材料为各向同性的弹性材料并且受压后其介电常数也不会发生改变。同时, 还要认为在纳米尺寸结构中它的力学性能是与宏观性能相同的。所选择的Zn Se材料, 它的弹性模量为70.0 GPa, 泊松比为0.28。当光子晶体厚板受到侧向压力时, 它的结构会发生变形, 纵向被压缩, 而横向则会被拉伸, 所得的空气孔将成为椭圆形, 这样, 该光子晶体点缺陷厚板的透射谱将被改变, 光波的光程也将变长。根据弹性模量和泊松比可以计算得到压力与横、纵向尺寸的关系, 同时通过软件来数值计算不同结构下透射谱。
3 压力传感的特性分析
在光子晶体厚板一侧施加不同的均布压力, 这里选择P=20 MPa和P=20 MPa来分析。利用平面波展开法分析点缺陷的透射谱, 结果如图3所示。
由图可以看到, 压力的变化直接影响到点缺陷厚板的透射谱, 施加压力后, 缺陷模的透射谱向高频方向移动, 施加压力为20 MPa时, 缺陷模中心频率移至0.443 a/λ处, 随着压力继续增大, 当压力为40MPa时, 缺陷模中心频率为0.444 a/λ, 压力的变化数值与缺陷模频率移动幅度成正比。该现象表明缺陷透射谱与压力呈线性关系。
利用这一原理设计压力传感器, 取入射光信号的频率为0.442a/λ, 对应缺陷模中心频率处, 图4为所测得的压力透射率曲线关系。由图可以看出, 当均布压力为0时, 光信号处在缺陷模的中心, 透射率最高达到1, 随着均布压力的变大, 缺陷模向高频方向移动, 压力为10 MPa时, 透射率为0.643。当压力为20 MPa时, 透射率为0.310, 随着压力增大相同步长, 透射率逐渐减小。当压力为60MPa时, 光信号的透射率已经降得很低, 该现象与图3吻合。该压力传感器测量范围在0~60MPa之间。
由于压力传感器的理论依据是是通过压力改变光子晶体结构尺寸从而使得缺陷模发生移动, 由透射率的变化量来测压力的变化。因此, 起决定性的主要参数是制作光子晶体材料的弹性模量和泊松比以及材料的折射率。在侧向加均布压力时, 要使传感器具有较高的灵敏度和大的测量范围, 就要选择弹性模量和泊松比较小材料构造光子晶体厚板。
4 结束语
本文构建了二维光子晶体厚板结构并对点缺陷的透射特性展开数值模拟。发现改变中间空气孔的半径可以在光子晶体能量带隙中形成缺陷模。此外发现, 在厚板的一侧施加均布压力时会影响器件的透射特性。利用这些特性, 选择弹性模量适合的材料制备光子晶体压力传感器。调谐空气孔的半径可改变压力传感器的工作频率, 而选择不同弹性模量的材料可以调节灵敏度, 压力传感效果明显。因此, 通过在光子晶体厚板点缺陷构造压力传感器的方法是切实可行的。
摘要：设计了二维光子晶体点缺陷厚板结构, 利用压力使厚板透射谱发生变化的特性制作压力传感器。结果表明, 压力可以使光子晶体厚板结构产生形变, 从而使缺陷模透射谱位置发生移动。选取特定频率的连续波入射, 它的透射率可以随着压力的变化而变化。此结果为设计基于光子晶体点缺陷厚板的压力传感器器件提供参考。
关键词：压力传感器,光子晶体,点缺陷,中心频率
参考文献
[1]杨颖.点缺陷光子晶体传播特性的研究[J].光谱实验室, 2010, 27 (6) :312-314.
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[3]章亮, 张巍, 聂秋华, 等.二维光子晶体波导研究进展[J], 激光与光电子学进展, 2013, 50 (3) :03008-1-5.
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压力传感器故障 篇10
光纤传感器在汽车工业、空气动力学、声学、流体控制及医学等领域应用时,要求能进行动态压力测量。传感器的动态行为不同于它的静态行为,要求光纤传感器采用不同的周期压力函数进行测试,同时光纤传感器在外界动态压力作用下会使测量系统出现严重的结构工程问题,动态光纤压力传感器需要定标,最初的动态压力定标装置原理直接源于声学测量。
基于光纤两个正交偏振模之间的偏振耦合效应的本征压力偏振传感器可广泛用于动态压力测量中[1]。这类传感器主要利用了光纤的双折射效应,要求光纤具有较高的双折射,传统的双折射光纤最大双折射值是有限的,而光子晶体光纤(PCF)可以提供更高的双折射,其值比传统边孔光纤的双折射值高一个数量级。PCF在近纤芯区域呈不对称微结构,利用PCF很容易实现高双折射,其双折射在10-3数量级。高双折射PCF有两类:一类是高双折射由纤芯不对称引入,典型结构为双芯或三个缺陷;另一类是光纤包层不对称引入双折射,典型结构为光纤包层椭圆空气孔,这类光纤可在很大的波长区域中获得双折射,其值可达10-2量级[2,3,4,5]。
本文提出了一种动态压力测量的PCF传感器的设计方案,采用差分平衡方程分析了这种传感器的基本原理和信号检测方法,并给出了这种传感器的定标方案。
1 PCF动态压力传感器设计原理
PCF动态压力传感器主要用于水下及油井压力监测。传感元件密闭于一个容器中,整个容器置于水下或油井中,外界波动压力作用于容器上,再通过容器中的硅油传递给敏感元件,传感元件分别通过导入光纤与激光光源相连接,通过导出光纤与传感器解码系统相接,其设计方案如图1所示。密闭腔中充满硅油,这可以使外界压力更好地耦合作用于敏感光纤上。
在外界动态压力作用下,PCF传感器传感元件需要保持平衡,如果忽略硅油的动力和粘滞力,则传感元件单元长度的差分平衡方程为
式中,dft为PCF弹性作用力项;dfg为在外界压力作用下PCF的惯性项;dfp为外界波动压力项。式(1)表明,外界压力作用于敏感元件时,因PCF的弹性作用和惯性作用整个光纤处于平衡状态,它们可分别表示为
式中,A为PCF横截面积;E为PCF杨氏模量;u(z,t)为因为压力作用PCF发生的轴向位移,它是时间的函数;ρP为光纤质量密度;z为PCF径向坐标;f为外界动态作用力。将式(2)代入式(1)得
设外界作用在PCF传感器敏感元件上的动态压力具有正弦周期性,其可表示为
式中,f0为压力振幅初值;L为PCF沿z方向的长度;ω为角频率。将式(4)代入式(3)并求解,得
上式表示在外界压力作用下,PCF沿轴向所发生的位移量,这个值与外界压力的周期性、PCF光纤长度和特性等相关。
2 PCF动态压力传感器输出信号检测原理
2.1 PCF传感器输出信号的检测
根据式(5),在PCF动态压力传感器中,因为压力作用造成传感元件产生位移,使PCF发生形变,PCF中双折射发生改变,导致PCF中传播的光脉冲的两个本征模相对相位出现延迟增量Δϕ=Δϕ1+Δϕ2,这些延时增量一部分是由PCF折射率分布波动引起的相位增量,另一部分是由PCF长度的微小变化引起的相位波动。两个本征模间相位波动增量可表示为
式中,Δn为两个偏振模有效折射率间的差;dL为PCF的相对位移。根据弹光理论,联合式(5)和式(6),对于一个长度为L的本征PCF干涉传感器,相位波动对压力和PCF长度的敏感性可表示为
式中,Cp和CE为经验因子,它们是包层材料的函数;n为主折射率;γ、E分别为光纤泊松系数和杨氏模量;p11、p12为PCF材料弹性系数。式(7a)表明光纤的机械特性与光纤径向应力和轴向应变相联系,它们可以转换为相等的光程量,式(7b)表明光程差的变化与光纤几何伸长量成正比, PCF是一个应力计量计。
PCF传感器系统的输出信号必须由一个解码系统进行检测,如图1中的解码系统部分。压力引起的相位漂移由石英延迟板和分析仪组成的解码干涉仪探测,它们的偏振轴成45°,延迟板由两个可移动的壁组成,这样板的厚度可调节。PCF传感器与解码干涉仪通过高折射光纤连接在一起,高双折射光纤的输出端与石英板偏振轴成45°,这种排列确保干涉条纹的最大对比度等于0.5。解码系统有4个信道用于解码干涉信号,一个参考信道用于监测传感器输出的平均强度,其中某个探测信道探测的输出信息强度可表示为
式中,I0为平均强度;γ为光源相干函数;Rs和RQ分别为由传感器和延迟板引入的整体群非平衡;Δϕs、ΔϕQ分别为因外界压力作用在光路中引入的相位差和延迟板引入的相位差,可由式(7)确定。
2.2 PCF动态压力传感器的校准
为了保证PCF传感器的动态压力测量范围和测量精度,需要对传感器进行校准。PCF波动压力测量校准分两步进行。第一步是测量传感器压力敏感性,考虑各向同性压力对传感器输出特性的影响,式(8)可改写为
式中,LB为敏感元件PCF的偏振拍长;A为一个依赖于PCF类型和几何结构的常数;λ为光脉冲波长;C为PCF相关光弹性常数,C=n3(p11-p12)(1+γ)/(2E),可令Tp=λ/(L·A·C)且δ=πL/LB,则式(9)可简化为I=I0cos2[πf/Tp+δ]。根据式(9), PCF传感器输出信号脉冲强度是压力的周期函数,周期为Tp,其物理意义是引起观察到的输出偏振光2π相位漂移的压力波动量。传感器输出端输出信号与压力和PCF长度的关系如图2所示。根据式(9)可知,压力周期是光纤长度的函数,其关系如图3所示。
第二步是确定PCF传感器输出信号归一化强度的最大值和最小值,通过这个最大区间可确定波动压力的变化区间。根据式(8),PCF传感器输出信号与补偿石英板的厚度紧密相关,可以通过改变石英板的厚度来调节传感器初始相位漂移,直到系统运行在正弦特性的最佳线性部分,如图4所示。而在一个周期Tp内传感器的压力响应与传感器引起的相位漂移π/2和-π/2相对应,如图5所示。根据图5,在压力变化一个周期内,外界波动压力变化量可通过式(10)进行计算,即
3 结束语
在汽车工业、空气动力学、声学、流体控制及医学等领域的应用中要求对外界动态压力进行测量,这可以通过采用PCF动态压力传感器来完成。本文提出了一种动态压力PCF传感器的设计方案,分析了这种传感器动态压力作用的基本原理和信号检测方法。动态压力PCF传感器对外界压力的响应具有周期性,这个周期与波动压力和敏感元件长度相关。
参考文献
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[3]Florous Nikolaos J,VarsheneyAhailendra K,SaitohKunimasa.Thermooptical sensitivity analysis of high-ly birefringent polarimetric sensing photonic crystal fi-bers with ellipitically elongated veins[J].IEEE Pho-ton.Technol.Lett.,2006,18(15):1 663-1 665.
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