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压力传感器发展
 
更新时间:2012.08.14 浏览次数:
 

压力传感器发展

目前国内的传感器技术水平从行业整体来讲,较之国际水平,确实还有一定的差距。以压力传感器而言,我认为国内业界理论水准,跟国际水平并无多大差距,但基础技术,包括材料技术、制造设备、测试技术和可靠性研究等,与国际水平还是有一定差距。
  
  从生产设备来讲,所有厚膜工艺设备(包括自动丝网印刷机、膜厚非接触式测试设备、烧结炉、激光修调系统等)都必须从美国、英国、日本等国家进口,金属管浮子流量计,这些都是国际一流设备,国内不具备生产能力。另外,传感器是敏感元件,对生产环境要求极高,生产线必须具备净化厂房。而这一点,国内的生产线亦无法达到要求。以前,我们曾尝试,将自己设计的一体化目前国内的传感器技术水平从行业整体来讲,较之国际水平,确实还有一定的差距。以压力传感器而言,我认为国内业界理论水准,跟国际水平并无多大差距,但基础技术,包括材料技术、制造设备、测试技术和可靠性研究等,与国际水平还是有一定差距。
  
  从生产设备来讲,所有厚膜工艺设备(包括自动丝网印刷机、膜厚非接触式测试设备、烧结炉、激光修调系统等)都必须从美国、英国、日本等国家进口,金属管浮子流量计,这些都是国际一流设备,国内不具备生产能力。另外,传感器是敏感元件,对生产环境要求极高,生产线必须具备净化厂房。而这一点,国内的生产线亦无法达到要求。以前,我们曾尝试,将自己设计的一体化陶瓷环、高压阻系数电子浆料,配方研制完成后,在国内生产,但生产出的产品性能始终无法达到要求。所以,只能到国外委托加工。以设备来讲,国内生产线加工的传感器存在的最大的问题就是时漂和温漂大。

  我国压力传感器市场主要是工业自动化控制领域,和汽车领域。据罗百辉介绍,在工控领域里目前我国绝大部份采用扩散硅压力传感器、应变片式压力传感器和溅射薄膜压力传感器,而国内厂家生产面广量大的就是扩散硅压力传感器。在国内,西安市是我国笫二个五年计划里重点发展压力系列传感器的重要城市,在这样子的大背景下,西安西弘自动化设备有限公司的成立,mpm系列变送器,传感器的研发与应用,为我国扩散硅压力传感器生产开创了先河。西弘致力于研发压力传感器, 制作工艺达到国际水平,但MEMS技术和前道硅片制造技术仍控制在外国厂家手里。

  进入九十年代,国际上MEMS技术有了长足的发展,硅片定向微机电加工精度和成品率不断提高,加上离子注入技术的发展使扩散硅压力传感器从技术上有了可靠保证,成本也有所下降。在许多应用领域里,扩散硅压力传感器还必须与充油蕊体配套,这又使它的售价大幅度上升。这些原因无疑在一定程度上促进了国内压力传感器市场的兴盛。

  在国外,压阻式陶瓷压力传感器以其高可靠性,抗腐蚀、优良的线性精度和低成本开始逐渐替代扩散硅压力传感器,这也将是必然的发展趋势。国家科技部马颂德副部长在2005年底视察无锡时,对此作了充分肯定。

压力传感器的基本要点

一、正确安装

  通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的,如果将传感器强行安装在过小的孔或形状不规则的孔中,就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏,选择合适的工具加工安装孔,有利于控制安装孔的尺寸,另外,合适的安装扭矩有利于形成良好的密封,但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传感器的滑脱,为防止这种现象发生,通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。

二、检查安装孔的尺寸

如果安装孔的尺寸不合适,高温熔体压力传感器在安装过程中,其螺纹部分就很容易受到磨损,这不仅会影响设备的密封性能,而且使传感器不能充分发挥作用,甚至还可能产生安全隐患。只有合适的安装孔才能够避免螺纹的磨损(螺纹工业标准1/2-20UNF2B),通常可以采用安装孔测量仪对安装孔进行检测,以做出适当的调整。

性能参数

压力传感器的种类繁多,其性能也有较大的差异,如何选择较为适用的传感器,做到经济、合理。

  1. 额定压力范围

  额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间,传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。

  2. 最大压力范围

  最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力,且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器,为提高线性和温度特性,一般都大幅度减小额定压力范围。因此,即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2-3倍。

  3. 损坏压力

  损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。

  4. 线性度

  线性度是指在工作压力范围内,传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。

  5.压力迟滞

  为在室温下及工作压力范围内,从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时,传感器输出之差。

  6.温度范围

  压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿,精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。

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。

  对某些特殊使用场合,无法选到合适的传感器,则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足使用要求。

 

八大发展趋势

一、压力传感器产业化发展模式:要加速形成从传感器研究开发到大生产一条龙的产业化发展模式,走自主创新和国际合作相结合的跨越式发展道路,使我国成为世界传感器的生产大国。

  二、传感器产品结构向全面、协调、持续发展。产品品种要向高技术、高附加值倾斜,尤其要填补“空白”品种。

  三、企业生产规模(年生产能力)向规模经济或适宜规模经济发展,量大面广的通用传感器的生产规模将以年亿只计,一些中档传感器的生产规模将以年产1000万只(含以上)计;而一些高档传感器和专用压力传感器的生产规模将以年产几十万只~几百万只计。

  四、生产格局向专业化发展。专业化生产的内涵为:1.生产传感器门类少而精;2.专门生产某一应用领域需要的某一类传感器系列产品,以获得较高的市场占有率;3.各传感器企业的专业化合作生产。

  五、传感器大生产技术向自动化发展。传感器的门类、品种繁多,所用的敏感材料各异,决定了传感器制造技术的多样性和复杂性,综观当前传感器工艺线的概况,多数工艺已实现单机自动化,但距离生产过程全自动化尚存在诸多困难,有待今后广泛采用CAD、CAM及先进的自动化装备和工业机器人,予以突破。

  六、压力传感器企业的重点技术改造应加强从依赖引进技术向引进技术的消化吸收与自主创新的方向转移。

  七、企业经营要加快从国内市场为主向国内与国外两个市场相结合的国际化方向跨越发展。

  八、企业结构将向“大、中、小并举”、“集团化、专业化生产共存”的格局发展。

 
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