CYB系列壓力/差壓變送器工作原理

CYB系列壓力/差壓變送器由壓力/差壓傳感器和電子電路兩部分組成。

一、壓力／差壓傳感器的工作原理及特點

1、壓阻式傳感器

壓阻式傳感器的結構及等效電路如下圖所示：

壓阻式傳感器在承壓膜片上制作了4個阻值隨承壓膜片機械變形而變化的應變電阻。當被測介質的壓力作用在承壓膜片時，引起承壓膜片發生機械變形。介質壓力越大，機械變形越大，則電阻值變化也越大。其中兩個電阻（R1、R4）隨機械變形阻值變大，R2、R3隨機械變形阻值減小。所以壓阻式壓力傳感器可將被測壓力的變化轉換為電阻值的變化，而且壓力變化越大，引起的電阻值變化也越大。壓阻式傳感器中的4個電阻構成一個惠斯登電橋，在外加電壓（電流）的作用下，產生一輸出電壓信號。在承壓膜片未受到壓力時，電阻R1=R2=R3=R4，因此橋路平衡，輸出電壓為0V。當作用在承壓膜片上的壓力增大時，電阻R1、R4的阻值增大，R2、R3阻值減小， 導致橋路輸出電壓增加。因此橋路電壓的變化正確地反映了被測壓力的變化，即實現了將壓力信號轉換為電壓信號的功能。

常見的壓阻式壓力傳感器根據制作工藝和承壓膜片的不同分為以下幾種類型:擴散硅；陶瓷；薄膜濺射；藍寶石等。其主要特點如下：

⑴擴散硅壓力傳感器

擴散硅壓力傳感器是在硅基片上利用半導體生產的擴散工藝，制作出構成惠斯登電橋的四個應變電阻。硅基片作為承壓膜片。其結構如下圖所示：

從結構示意圖可以看出，被測壓力引至隔離膜片，通過硅油傳到硅基片。硅基片受力產生的機械形變引起四個應變電阻值的變化（兩個變大，兩個變小），使得原來平衡的電橋出現了不平衡。為了解決擴散硅電阻值隨溫度變化的缺點，制造廠在傳感器的上部封裝了一個陶瓷片，在陶瓷片上利用激光刻蝕技術制作了溫度、非線性、增益補償電阻，有效地克服了輸出電壓隨溫度變化的缺點。

隔離膜片和硅油的作用是防止被測介質與硅基片直接接觸，避免了腐蝕性介質對基片的損壞。

由于半導體生產工藝的特點，一次制作的四個橋臂電阻具有阻值相同，溫度特性相同的特點。因此擴散硅壓力傳感器具有零點誤差小，溫度特性一致的優點。加入溫度補償電路后，具有很好的溫度特性。擴散硅傳感器的另一特點是壓力變化引起承載壓力的硅基片機械變形極小，因此具有回差小、重復性好、長期穩定性好等優點。這也是擴散硅壓力變送器得以廣泛應用的原因之一。

利用擴散硅技術也可以制作成差壓傳感器。尤其是低靜壓的微差壓傳感器，擴散硅具有獨特的優勢，應用廣泛。

⑵陶瓷壓阻式壓力傳感器

陶瓷壓阻式壓力傳感器以工業陶瓷為承壓膜片，在陶瓷基片上制作了4個構成惠斯登電橋的應變厚膜電阻。同時利用激光刻蝕技術制作了非線性和溫度補償電阻。

陶瓷壓阻傳感器的特點是承壓膜片直接與介質接觸，無需充硅油，所以不存在隔離膜片破裂使硅油泄漏污染介質問題。可見陶瓷傳感器更適合用于飲料、食品、藥品等對衛生要求較高的工藝過程中。陶瓷傳感器還具有耐磨、耐腐蝕、抗沖擊強等特點。與擴散硅傳感器相比，陶瓷傳感器在線性、回差、長期穩定性等方面略有差異。

⑶離子濺射薄膜壓力傳感器

離子濺射薄膜壓力傳感器結構如右圖所示：

在傳感器的承壓金屬膜片上,利用離子濺射和半導體工藝制作出4只應變電阻。承壓膜片隨介質壓力變化產生機械變形。壓力增大時，4只電阻中的R2、R4受壓，R1、R3受拉，電阻值發生變化。將4只電阻接成惠斯登電橋，外加激勵電壓，輸出電壓隨介質壓力變化而成正比變化,將壓力變化轉換成電壓變化。

在被測介質溫度高于150℃或低于-40℃時，普通的壓力傳感器則難以勝任。離子濺射薄膜壓力傳感器采用離子束濺射方式結合的半導體生產工藝技術，應變電阻直接制作在金屬測壓膜片上。由于濺射工藝使得應變電阻和承壓膜片成為一體結構，所以顯著地改善了應變式傳感器的長期穩定性和蠕變特性，使傳感器的溫度范圍大大擴展。濺射薄膜傳感器直接制作在金屬膜片上，沒有隔離膜片與硅油，因此精度更高，穩定性與可靠性更好，且有更高的抗振動性能，可用于各種惡劣的工作環境。

⑷藍寶石壓力傳感器

藍寶石壓阻式壓力傳感器以機械性能高度穩定的人造藍寶石為承壓材料。其主要特點是長期穩定性好，溫度范圍寬（允許介質溫度－196～400℃），抗振動。主要用于介質溫度特別低或特別高的場合及航天、航空和軍事用途。

2、電容式壓力／差壓傳感器的工作原理

電容式壓力/差壓傳感器是將被測壓力/差壓的變化轉換成電容量的變化。常用的電容式壓力/差壓傳感器根據所使用的材料不同，有陶瓷電容和金屬電容兩種不同的傳感器。電容式壓力／差壓傳感器的原理是將被測壓力作用在一彈性膜片（承壓膜片）上，使膜片產生與壓力成正比的位移，彈性膜片作為電容器的一個極板（金屬或附有導電材料），另一極板是一與彈性膜片平行，位置固定的導電材料片。彈性膜片的位移改變了構成電容的兩個極板間的距離，使電容量發生了變化。由于電容量的變化與彈性膜片的位移成正比，彈性膜片的位移與被測壓力成正比，因此實現了將壓力／差壓變化轉換為電容量變化的目的。

⑴陶瓷電容式壓力傳感器

陶瓷電容式壓力傳感器以工業陶瓷制成彈性膜片。其結構示意圖如下：

在陶瓷電容壓力傳感器中，被測介質壓力無需經過其它介質（如硅油等）傳遞而直接作用在彈性膜片上，使膜片產生位移。彈性膜片的位移大小與被測壓力大小成正比，因此襯底的電極與彈性膜片電極形成的電容量變化也與被測壓力大小成正比。彈性膜片的位移不超過0.03mm。過載時，膜片貼到陶瓷襯底上而不會損壞，當壓力恢復到正常時，其性能不受任何影響，解決了其它壓力傳感器低量程過載能力差的缺點。陶瓷電容傳感器的兩個電容極板之間為真空密封，無其它隨溫度、濕度變化的介電物質，因此溫度特性和長期穩定性均較好，工作溫度范圍高達-40~125℃。

由于陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，無任何填充液，不會產生工藝污染，不受安裝方向影響，溫度特性和長期穩定性好,因此獲得了廣泛的應用，尤其是適用于食品、醫藥等衛生條件要求高的行業和場合。

⑵金屬電容壓力／差壓傳感器

金屬電容壓力／差壓傳感器采用金屬殼體和金屬彈性膜片。電容式壓力／差壓傳感器的內部結構如右圖所示。工作時, 高、低壓側的隔離膜片和灌充液將過程壓力傳遞給傳感器中心的彈性膜片上。彈性膜片是一個張緊的彈性元件，受力時產生位移。其位移隨所受差壓的大小和方向而變化。傳感膜片的位移量不大于0.10mm , 且位移量與差壓的大小成正比。兩側的金屬板與傳感膜片構成了兩組電容極板，傳感膜片和電容極板之間的距離變化反映為電容量的變化。亦即將所承受壓力／差壓變化反映為電容變化。電容式傳感器的溫度特性好, 可承受較高的靜壓, 工作可靠。是目前應用極為廣泛的傳感器之一。

二、電路工作原理

1、普通壓力變送器電路工作原理

壓力變送器采用壓阻式壓力傳感器，為普通模擬電路壓力變送器。其電路組成框圖如下：

激勵電路:產生供傳感器橋路工作所需的恒壓或恒流。

放大及補償電路：對傳感器輸出的電壓信號（mV級）進行放大，并通過電路對傳感器的非線性、溫度特性進行補償，使輸出信號電壓為1V左右，以滿足V/I轉換的需要。為了降低傳感器輸出的非線性，要求放大器的輸入阻抗在100MΩ以上,因此電路采用儀表放大器。

V/I轉換電路：將放大器輸出的電壓信號轉換為兩線制變送器輸出所需的4～20mADC電流信號。

滿量程輸出調節：電位器調節。改變放大器的增益，保證滿量程時的輸出電流為20.000mADC。

零點輸出調節：電位器調節。改變加在V/I轉換電路輸入端的偏置電壓，保證輸入壓力為零時的輸出電流為4.000mADC。

顯示電路：顯示電路串接在電流輸出回路。有指針表頭和液晶顯示兩種。顯示電路直接根據輸出電流大小顯示電流值或壓力值。

2、智能壓力變送器電路工作原理

壓力變送器采用壓阻式或陶瓷電容式壓力傳感器，是一智能化的壓力變送器。其電路組成框圖如下：

激勵電路：產生供傳感器橋路工作所需的恒壓或恒流。

A/D轉換：將傳感器輸出的模擬電壓信號轉換成16位二進制的數字信號（0000H～FFFFH）。

溫度傳感器：數字溫度傳感器。將環境溫度轉換成數字信號輸出給單片機。

單片機：接受A/D轉換來的傳感器輸出（壓力）信號，根據傳感器的量程范圍，計算出相應的壓力和對應的輸出電流。通過軟件，對傳感器的非線性作了分段線性化處理，大大提高了變送器的精度。單片機同時采集環境溫度的變化，對傳感器的溫度特性進行了全面補償，大大提高了變送器的穩定性。單片機外圍設有專門的μP檢測和看門狗電路，確保了在外界強干擾下電路能正常工作，提高了可靠性。單片機外圍電路還包括了EEPROM，用于存放各種設置、補償數據。通過軟件，實現了對傳感器的非線性、溫度特性的補償和對變送器的自動校正、自動遷移。在單片機的控制下，每隔兩分鐘自動對A/D轉換的零點和滿量程輸出進行一次校驗，解決了環境溫度、濕度變化及時間漂移對電路的影響。

D/A轉換：將單片機計算的輸出電流數字量轉換為4～20mADC輸出的模擬量。D/A轉換電路為變送器專用的4～20mADC環路輸出D/A芯片，保證了變送器的精度和穩定性、可靠性。

顯示電路：液晶顯示電路。顯示被測壓力或輸出電流值。

按鍵：通過按鍵，可啟動單片機內的零點和滿量程的遷移、零點和滿量程的誤差校正程序，以實現變送器誤差校正和量程遷移的自動化。

通信電路：提供現場總線的通信功能。可使變送器不僅有模擬量的輸出，同時有數字量的輸出，并且可接受外部信息，實現對變送器的管理與設置。

3、電容式壓力／差壓變送器

壓力／差壓變送器采用電容式壓力／差壓傳感器，電子部分為普通模擬電路。其電路組成框圖如下：

傳感器將被測壓力／差壓變化轉換為電容量的變化。在激勵電路的作用下，將電容變化轉換為電壓變化。放大電路對激勵電路輸出的信號電壓（mV級）進行放大，對傳感器的非線性進行補償。使信號電壓滿足V/I（電壓／電流）轉換的需要。V/I轉換電路最終輸出與被測壓力成正比的4～20mADC電流信號。放大電路包括了對變送器的溫度補償和對傳感器的非線性補償。

除激勵電路外，電路基本相同。電容式傳感器激勵電路采用了獨特開關型電容充放電激勵原理，利用電容充電時兩端電壓與電容容量的關系，通過檢測電容兩端的電壓變化反映電容量的變化，即被測壓力的變化。該激勵電路的長期穩定性、溫度特性指標遠較一般的正弦波交流激勵電路高。它從根本上克服了正弦波激勵電路的頻率漂移、幅度變化影響，更沒有整流二極管的壓降與輸出信號串聯導致的溫度影響，使得電容式壓力／差壓變送器的精度、穩定性與可靠性更高。