壓阻式傳感器依賴于當材料的電阻隨施加的機械應變而變化時產生的壓阻效應。在金屬中,當金屬隨外界施加的力的變化,產生微小的機械形變,這種形變會導致金屬電阻值的微小變化,這種效應就就叫壓阻效應。硅中的壓阻效應主要是由于原子層面上的變化,它比金屬中的壓阻效應大兩個數量級。當施加應力時,硅中載流子的平均有效質量增加或減少(取決于應力的方向、晶體方向和電流的方向)。這種變化改變了硅的載流子流動能力,從而改變了硅的電阻率。當壓阻傳感器置于惠斯通電橋結構中,并連接到壓敏膜片時,電阻的變化被轉換為與施加的壓力成比例的電壓輸出。壓電傳感器依賴于壓電效應,當晶體在應力作用下重新定向形成內部偏振時就會發生壓電效應。這種極化導致晶體表面產生與施加的應力成比例的電荷。
石英、電氣石和其他幾種天然晶體都具有壓電效應。當壓電材料與合適的受力裝置耦合后,就會產生與所施加的力成比例的電荷。特殊配方的陶瓷可以被人為極化成比天然晶體靈敏度高100倍以上的壓電材料。與應變片傳感器不同,壓電傳感器不需要外部激勵。這些傳感器表現出高輸出阻抗和低信號水平,因此,壓電器件需要在測量回路中使用低噪聲同軸電纜和電荷放大器等特殊設備。
所有的壓電傳感器都是不需要外部激勵電源的,可以根據施加的應力產生相應比例的電勢(電荷)。一些壓電傳感器的設計包含內置在傳感器體內的集成前置放大器,被稱為電壓型壓電傳感器。以這種方式設計的傳感器被稱為IEPE(集成電子壓電傳感器)。輸出內部放大和阻抗大大降低,從而簡化了信號調理。所有壓電式壓力傳感器都有一個固有的低頻衰減,這取決于外部信號調理的低頻時間常數。因此,它們不適用于直流或穩態條件。
壓阻式傳感器以前和現在都是用硅制造。老一代壓阻式傳感器利用了傳感器網絡和基于p-n結的塊狀底層硅之間的隔離技術。在這些器件中,單個壓阻測量元件是通過p型摻雜劑(如硼)擴散到n型襯底材料(其中電子是主要載流子)中來創建的。雖然這些器件在低溫下是準確和可靠的,但p-n結隔離在溫度高于350°F時就會失效。多年前,Kulite開始用(SOI)基于絕緣體上的硅技術取代p-n結方法。SOI技術通過使用二氧化硅的非導電隔離層,使傳感元件與襯底絕緣,并彼此絕緣。這使得可預測和可重復的傳感器行為范圍從低溫一直到1000°F以上。可廣泛應用于各類發動機測試。
微型壓阻式和壓電式壓力傳感器都支持高頻壓力的測量,并表現出寬的動態信號范圍。但Kulite壓阻式SOI器件是真正的固態器件,因為受力裝置和傳感元件都是整體硅晶體結構的一部分。壓電傳感器是一種混合結構,它將傳感元件機械連接到受力裝置上,兩部分不是一個整體。這兩種類型的傳感器都可以提供卓越的耐久性,良好的重復性,和低滯后。都支持在高溫下(>250°F)的壓力測量,前提是放大器等集成電路要遠離過高的溫度。
壓阻與壓電技術的比較
探針式;螺紋式;片式 | 探針式;螺紋式 | |
尺寸 | 探針式:直徑1.4mm 片式:0.64mm | 探針式:4.8mm |
過載能力 | 2倍 到50倍 | 2倍 到50倍 |
加速度靈敏度 | " 0.00015 PSI/g | " 0.002 PSI/g |
工作溫度范圍 (未加放大器) | -195.5℃ 到 +538 ℃ | -195.5℃ 到 +560 ℃ |
工作溫度范圍 (加放大器) | -73℃ 到 +204 ℃ | -73℃ 到 +135 ℃ |
靜壓測量能力 | 有 | 沒有 |
動態響應 | 上升時間≦1μs | 上升時間≦2μs |
輸出靈敏度 (未加放大器) | 100 mV FS 典型值 | 充電輸出 25pC/Bar typical |
輸出靈敏度 (加放大器) | 0 to 5/10 V, 4-20 mA | IEPE + 5V |
漂移 | " 0.1% FS/年 | " 0.5% FS/年 |
總誤差(全溫范圍) | " + 0.1% FS 典型值 | " ±1% FS 典型值 |
動態范圍 (dB)
| > 100 dB | > 100 dB |
溫度系數 | ± 0.001 - 0.01% FS/oF | ± 0.03 - 0.2% FS/oF |
布線要求 | 4線屏蔽線纜或雙絞線(價格低) | 低噪聲線纜 (價格高) IEPE 同軸電纜(價格低) |
激勵要求(未放大型) | 2-15 V 10VDC典型值 | 不需要激勵 |
激勵要求(放大型) | 3.3 -36 V(任意值) | 2 -20mA (恒流源) |