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說(shuō)一說(shuō)PCB壓力傳感器
壓電式壓力傳感器常用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，一般不適用于靜態(tài)壓力的測(cè)量。動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量(典型應(yīng)用如湍流，爆炸和發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒等)需要用到有特殊功能的傳感器，包括快速響應(yīng)，外殼堅(jiān)固，高剛度，可擴(kuò)展量程和可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓力的能力。為何壓電式壓力傳感器僅測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力呢？ 壓電式壓電傳感器的石英晶體當(dāng)受到外部施加的壓力時(shí)產(chǎn)生電荷。即使電氣絕緣電阻非常高，電荷最終也將泄漏為零。電荷泄漏到零的速率取決于電氣絕緣電阻。電荷型壓力傳感器與電壓放大器一起使用時(shí)，泄漏速率由傳感器中電容和電阻、低噪音電纜和外部電壓放大器決定。ICP®壓力傳感器晶體和內(nèi)置電路中的電阻和電容決定泄漏速率。
PCB®生產(chǎn)和制造兩種類型的動(dòng)態(tài)壓力傳感器，電荷型以及ICP®電壓型。電荷型壓力傳感器輸出高阻抗的電荷信號(hào)，ICP®電壓型傳感器特點(diǎn)是內(nèi)置集成放大電路，可以將高阻抗電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓輸出。
傳感器結(jié)構(gòu)
壓電型壓電傳感器有各種外觀尺寸和螺紋結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的壓力測(cè)量安裝要求。大多數(shù)傳感器使用石英晶體作為敏感元件，以保證操作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。石英晶體通常在殼體內(nèi)部進(jìn)行預(yù)緊，以保證傳感器具有良好的線性度。電氣石是另外一種穩(wěn)定的天然壓電晶體，此類晶體用于需要測(cè)量體積靈敏度的傳感器中。如圖1為具有內(nèi)置電路的通用型壓力傳感器。
圖一 具有內(nèi)置電路的通用型壓力傳感器
極性
當(dāng)ICP®壓力傳感器受到一個(gè)正壓時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)正的電壓輸出。PCB®電荷型壓力傳感器的極性剛好相反。當(dāng)受到一個(gè)正壓時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)負(fù)信號(hào)輸出。外部電荷放大器通常與電荷輸出傳感器一起使用，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行極性反轉(zhuǎn)。電荷輸出型傳感器與電荷放大器一起組成的測(cè)試系統(tǒng)的輸出極性與ICP®傳感器的輸出極性是一樣的。當(dāng)然，我們也有反極性輸出的傳感器版本。
高頻響應(yīng)
大多數(shù)PCB®壓電型壓力傳感器中的石英晶體在堅(jiān)固的傳感器外殼內(nèi)采用壓縮式預(yù)緊，電氣石晶體采用無(wú)約束形式。這些設(shè)計(jì)使傳感器具有微秒級(jí)響應(yīng)時(shí)間和幾百赫茲的固有頻率，能夠最小化過(guò)沖或者振鈴現(xiàn)象發(fā)生的可能性。
壓力傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)高頻測(cè)量產(chǎn)生限制。靈敏度在傳感器接近固有頻率時(shí)開始快速上升。靈敏度的上升情況如圖2所示。
圖二 靈敏度上升圖
通常傳感器靈敏度偏差低于5%范圍內(nèi)使用是可以接受的。而此時(shí)的高頻測(cè)量上限一般在接近傳感器固有頻率的20%左右。高頻響應(yīng)可能受激勵(lì)電流、電纜長(zhǎng)度和電纜電容的限制。
低頻響應(yīng)
電荷型壓力傳感器的低頻響應(yīng)取決于所使用的電荷放大器。放大器設(shè)置低頻響應(yīng)的放電時(shí)間常數(shù)（DTC）可以很長(zhǎng)或很短，這取決于使用電荷放大器的具體型號(hào)。一個(gè)較長(zhǎng)DTC允許更低頻的測(cè)量，較短的DTC會(huì)限制低頻響應(yīng)。
內(nèi)部的電阻和電容值決定了傳感器的放電時(shí)間常數(shù)和ICP®壓力傳感器的低頻響應(yīng)。放電時(shí)間類似一階R-C高通濾波器的作用，決定了傳感器的低頻響應(yīng)。另外，信號(hào)適調(diào)儀的DTC也應(yīng)該考慮在內(nèi)，它也會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的低頻響應(yīng)。
典型的壓電式系統(tǒng)輸出
壓電式壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特點(diǎn)是AC耦合系統(tǒng)。重復(fù)的信號(hào)會(huì)衰減，直到原始基線上下區(qū)域達(dá)到相等。當(dāng)監(jiān)控事件的幅值出現(xiàn)波動(dòng)，輸出會(huì)在基線附近保持穩(wěn)定，同時(shí)正的區(qū)域和負(fù)的區(qū)域保持相等。圖3是一個(gè)AC交流信號(hào)波形。
在這個(gè)例子中，在一個(gè)穩(wěn)態(tài)脈寬和脈沖間隔為一秒的AC耦合壓力應(yīng)用，產(chǎn)生0-2V電壓輸出信號(hào)。其頻率保持不變但信號(hào)迅速衰減，直到信號(hào)在原始基線上下面積區(qū)域A=區(qū)域B，而且峰值相同。
圖三 AC交流信號(hào)波形
傳感器結(jié)構(gòu)
壓力傳感器的精密安裝對(duì)于精確測(cè)試是至關(guān)重要的。每次安裝前請(qǐng)確認(rèn)傳感器說(shuō)明書中的安裝尺寸圖，當(dāng)您有疑問(wèn)時(shí)，請(qǐng)聯(lián)系PCB®工程師取得詳細(xì)的安裝指南。使用精密的機(jī)加工設(shè)備來(lái)安裝螺紋孔，并且使用推薦的安裝扭矩。請(qǐng)使用PCB®傳感器提供的安裝硬件，我們還提供不同標(biāo)準(zhǔn)的螺紋適配器來(lái)簡(jiǎn)化一些傳感器的安裝。
對(duì)于自由場(chǎng)爆炸應(yīng)用，使用具有氣動(dòng)力外形的安裝可以最小化來(lái)自安裝支架或三腳架的反射而產(chǎn)生的不必要的影響。
許多壓力傳感器的敏感晶體一般位于傳感器底部的膜片處。如果壓力測(cè)量中傳感器這個(gè)部位受到側(cè)向載荷會(huì)使信號(hào)輸出失真。要避免異常的側(cè)向載荷應(yīng)力施加到傳感器的上半部分，這點(diǎn)也很重要。對(duì)傳感器上半部分可能會(huì)產(chǎn)生側(cè)應(yīng)力的原因包括：電纜對(duì)電氣接頭的直角拉緊力；在高橫向振動(dòng)的環(huán)境中，電纜使用一個(gè)非常重的適配器連接到小型的電氣接頭上。
在自由場(chǎng)爆炸測(cè)試應(yīng)用，壓力傳感器安裝到一個(gè)薄板上，當(dāng)壓力造成板面彎曲時(shí)，傳感器可能會(huì)承受側(cè)應(yīng)力，使用O型環(huán)安裝可以最小化這種影響。