一文深度了解压力传感器

在上一篇讲述压力传感器的文章《一文读懂压力传感器的原理和分类》中，为大家讲解了各种不同的压力传感器及其原理，而在实际使用中，压力传感器还有很多的注意事项呢。

压力传感器的误差分析

在选择压力传感器的时候我们要考虑他的综合精度，而压力传感器的精度受哪些方面的影响呢？其实造成传感器误差的因素有很多，下面我们主要说四个无法避免的误差，这也叫传感器的初始误差。

1、偏移量误差

由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定，因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。

2、灵敏度误差

产生误差大小与压力成正比。如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值，那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。

3、线性误差

这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素，该误差的产生原因在于硅片的物理非线性，但对于带放大器的传感器，还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线，也可以是凸形曲线。

4、滞后误差

在大多数情形中，压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计，因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。

压力传感器的这个四个误差是无法避免的，我们只能选择高精度的生产设备，利用高新技术来降低这些误差，还可以在出厂的时候进行一定的误差校准，尽最大的可能来降低误差。

压力传感器的选型需求

了解了压力传感器的基本误差，根据不同的应用场景和需求，我们需要对传感器做合理的选型，选用的原则便是以最经济的价格买到满足其用途、压力量程、精度要求、温度范围、电和机械要求的压力传感器。

1、确认测量压力的类型

压力传感器可以分为测定绝对压力、对大气的相对压力和差压。测定绝对压力时，传感器内自身带有真空参考压，所测压力与大气压力无关，是相对于真空的压力。对大气的相对压力是以大气压力为参考压，因此传感器弹性膜一侧始终与大气是连通的。此外，还可从传感器弹性膜两侧分别导入流体压力，这样能测定流体不同地点或流体间的差压。针对不同用途应选用不同结构的压力传感器。

2、确认压力传感器的量程范围

一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右压力量程的传感器/变送器。在许多测试系统中，尤其是液压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器，持续的高压力值或稍微超出传感器/变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命。

如装载机在抓举瞬间的冲击力对传感器的考验比较严厉，这种场合往往需要3倍以上的安全过载，但会影响其综合精度。也可选用阻尼装置来降低压力冲击，但这样又会降低传感器的响应速度。所以，在选择传感器/变送器时，要充分考虑压力范围、精度与其稳定性，选择最合适的解决途径。

3、确定压力传感器的测量介质

一般来讲，黏性液体（如原油）、煤浆、泥浆及其他沉淀物等往往会堵住压力接口，影响传感器的正常工作，这种情况需要采用隔离膜（即平膜结构）传 感器直接与介质接触，进行压力测量。当溶剂中含有腐蚀性物质时，要选用与这些介质兼容的材质做隔离膜片，否则会影响产品的使用寿命。

4、确定压力传感器的精度

这里所说的精度主要是指：非线性，迟滞性，重复性，零点与满度偏差，温度及其他环境的影响。一般来讲，精度越高，必然在制作过程中增添了许多附加工艺以及校淮过程和补偿技术，相应成本提高了， 销售价格也就越高。所以，用户在选用产品时不能只单纯地追求高精度，而应该根据实际测量的需求进行合理地选择。

5、确认压力传感器的温度范围

通常一个变送器会标定两个温度范围，即正常操作的温度范围和温度可补偿的范围。

正常操作温度范围：指产品在工作状态下不被破坏时的温度范围，在超出温度补偿范围时，可能会达不到其应用的性能指标。

温度补偿范围：在这个范围内工作，产品肯定会达到其应有的性能指标。

温度变化影响着零点漂移和满量程输出，影响压力传感器的精度。为了消除温度的影响，就需应用各种温度补偿技术。温度范围越宽，补偿技术难度越大，且校准工作量越大，所能保证的全温度范围的精度便越低。为此应根据压力传感器所应用的实际温度范围和精度要求提出合理的要求。

6、电学要求

一般普通压力传感器的输出为模拟信号，远距离输出信号电压会衰减，应采用电流信号输出。经压力变送器将电流放大后可以输出20mA以下的电流信号。这样，价格就成倍增加。

所以，选择的输出类型依赖于您的传感器与系统控制或者显示部件之间的距离，噪音，以及其他电气干扰，还有是否需要放大，最佳放置放大器的位置等。

另外，只有经过A/D和V/F变换后才能得到数字信号和频率信号。

恒流源和恒压源都是通常传感器采用的两种激励源。两种激励方法是有区别的，其作用不同。恒流源激励有利于热灵敏度漂移的补偿作用。输出的类型可能就决定了需要的激励电压。许多放大式传感器都有内置的电压调节器，可以在很大范围的未调节电压源下工作。

有些传感器是有比例的，需要已调节的激励源。所使用的电源将会决定您是使用已调节电源还是未调节电源。这需要在系统成本和所有激励源之间作出折中的选择。

压力传感器可以用电池供电，但更普遍的是采用直流稳压电源技术。

7、作业方式

作业方式也是需要考虑的重要问题。压力传感器的工作环境恶劣时，例如有大的振动、冲击，大的电磁干扰，对传感器提出更为严格的要求。不仅过压能力强，而且要求机械密封可靠，防松动，传感器安装正确。传感器自身的引线、引脚以及外导线都应加以电磁屏蔽，并将屏蔽良好接地。

8、对压力密封的要求

通常用的压力密封是橡胶垫（或称O型环）、环氧树脂、聚四氟乙烯垫、锥孔配合、管螺纹配合及焊接等方式。所用的密封材料决定了压力传感器的工作温度范围。

压力传感器的检测方式

在使用压力传感器的时候，如何检测压力传感器显得十分重要，检测压力传感器根据目的不同，检测的项目和方法也就会有区别。这里介绍3种压力传感器的检测方法：

1、加压检测

检单的方法是：给传感器供电，用嘴吹压力传感器的导气孔，用万用表的电压档检测传感器输出端的电压变化。如果压力传感器的相对灵敏度很大，这个变化量会明显。如果丝毫没有变化，就需要改用气压源施加压力。

通过以上方法，基本可以检测一个传感器的状况。如果需要准确的检测，就需要用标准的压力源，给传感器压力，按照压力的大小和输出信号的变化量，对传感器进行校准。并在条件许可的情况下，进行相关参数的温度检测。

2、零点的检测

用万用表的电压档，检测在没有施加压力的条件下，传感器的零点输出。这个输出一般为mV级的电压，如果超出了传感器的技术指标，就说明传感器的零点偏差超范围。

3、桥路的检测

主要检测传感器的电路是否正确，一般是惠斯通全桥电路，利用万用表的欧姆档，量输入端之间的阻抗、以及输出端之间的阻抗，这两个阻抗就是压力传感器的输入、输出阻抗。如果阻抗是无穷大，桥路就是断开的，说明传感器有问题或者引脚的定义没有判断正确。

压力传感器及变送器的故障分析

压力传感器在运行中发生故障，我们又如何辨别及排障呢？

1、压力上去，变送器输出上不去。

此种情况，先应检查压力接口是否漏气或者被堵住。如果确认不是，检查接线方式和检查电源，如电源正常则进行简单加压看输出是否变化，或者察看传感器零位是否有愉出。若无变化则传感器已损坏，可能是仪表损坏或者整个系统的其它环节的问题。

2、变送器输出信号不稳。

这种故降有可能是压力源的问题。压力源本身是一个不稳定的压力，很有可能是仪表或压力传感器抗干扰能力不强、传感器本身振动很厉害和传感器故障。

3、加压变送器输出不变化，或加压变送器输出突然变化。

泄压变送器零位回不去，很有可能是压力传感器密封圈的问题。常见的是由于密封圈规格原因，传感器拧紧之后密封圈被压缩到传感器引压口里面堵塞传感器，加压时压力介质进不去，但在压力大时突然冲开密封圈，压力传感器受到压力而变化。排除这种故障的最佳方法是将传感器卸下，直接察看零位是否正常，若零位正常可更换密封圈再试。

4、变送器与指针式压力表对照偏差大。

出现偏差是正常的现象，确认正常的偏差范围即可。

5、微差压变送器安装位置对零位输出的影响。

微差压变送器由于其测量范围很小，变送器中传感元件会影响到微差压变送器的输出。安装时应使变送器的压力敏感件轴向垂直于重力方向，安装固定后调整变送器零位到标准值。

压力传感器热零点温漂的补偿技术

零点热漂移是影响压力传感器性能的重要指标，受到广泛重视。国际上认为零点热漂移仅取决于力敏电阻的不等性及其温度非线性，其实零点热漂移还与力敏电阻的反向漏电有关。在这点上，多晶硅可以吸除衬底中的重金属杂质，从而减小力敏电阻的反向漏电、改善零点热漂移，提高传感器的性能。

缩小电漂移和修正电漂移还有哪些方式呢？

从整体上来分，可以分为硬件补偿和软件补偿两大方向。下面分别就这两个方向的代表性方法做简单介绍。

1 、硬件零点补偿方法

对压力传感器而言，硬件补偿方法有在桥臂上串、并联恰当恒定电阻法，桥臂热敏电阻补偿法，桥外串、并联热敏电阻补偿法，双电桥补偿技术、三极管补偿技术等。

2、 软件补偿零点漂移方法

在信号采集过程中，在触发信号未发生到触发采集以及在采集结束后的这些时间段里，输入的信号为零，输出的信号不为零，这种采集到的输出数据以随机噪声的形式存在，对于数据的计算与处理是没有意义的，我们定义这段时间里采集到的信号值称之为零点漂移。

3、多项式拟合规范化法

由于在实际测量中。压力传感器所测量的温度、压力等物理量不会与输出值是严格的线性关系，因此其函数关系常常是多项式形式。多项式可用于非线性信号的拟合，关键在于求解其各项系数。

4、RBF神经网络法

基本原理：通常零点温度补偿软件算法中公式法较复杂，切拟合精度常会受到限制。人工神经网络法具有使用的样本数少，算法简单、具有任意函数逼近能力，应用前景良好。

此外软件法还包括查表法、插值法等，还有一些厂家从传感器本身的特点出发，采用特殊技术，如改变掺杂浓度等，或者采用自校准技术来解决零点漂移的问题，但这些方法补偿精度不高，效果远没有上述三种方法好。

压力传感器在工业生产应用中，以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着MEMS技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。

审核编辑 ：李倩