PCB Pressure Sensor Introduction

PCB壓力傳感器介紹

壓電式壓力傳感器常用來測量動態壓力，一般不適用于靜態壓力的測量。動態壓力測量(典型應用如湍流，爆炸，彈道和發動機燃燒等)需要用到有特殊功能的傳感器，包括快速響應，外殼堅固，高剛度，可擴展量程和可以測量準靜態壓力的能力。

PCB?生產和制造兩種類型的動態壓力傳感器，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，ICP?電壓型傳感器特點是內置集成放大電路，可以將高阻抗電荷信號轉換成低阻抗電壓輸出。

傳感器結構

壓電型壓電傳感器有各種外觀尺寸和螺紋結構，以適應不同的壓力測量安裝要求。大多數傳感器使用石英晶體作為敏感元件，以保證操作的穩定性和可重復性。石英晶體通常在殼體內部進行預緊，以保證傳感器具有良好的線性度。電氣石是另外一種穩定的天然壓電晶體，此類晶體用于需要測量體積靈敏度的傳感器中。

如圖1為具有內置電路的通用型壓力傳感器。

極性

當ICP?壓力傳感器受到一個正壓時，傳感器產生一個正的電壓輸出。PCB?電荷型壓力傳感器的極性剛好相反。當受到一個正壓時，傳感器產生一個負信號輸出。外部電荷放大器通常與電荷輸出傳感器一起使用，并對信號進行極性反轉。電荷輸出型傳感器與電荷放大器一起組成的測試系統的輸出極性與ICP?傳感器的輸出極性是一樣的。當然，我們也有反極性輸出的傳感器版本。

高頻響應

大多數PCB?壓電型壓力傳感器中的石英晶體在堅固的傳感器外殼內采用壓縮式預緊，電氣石晶體采用無約束形式。這些設計使傳感器具有微秒級響應時間和幾百赫茲的固有頻率，能夠*小化過沖或者振鈴現象發生的可能性。

 壓力傳感器的機械結構會對高頻測量產生限制。靈敏度在傳感器接近固有頻率時開始快速上升。

靈敏度的上升情況如圖2所示。

通常傳感器靈敏度偏差低于5%范圍內使用是可以接受的。而此時的高頻測量上限一般在接近傳感器固有頻率的20%左右。高頻響應可能受激勵電流、電纜長度和電纜電容的限制。

低頻響應

電荷型壓力傳感器的低頻響應取決于所使用的電荷放大器。放大器設置低頻響應的放電時間常數（DTC）可以很長或很短，這取決于使用電荷放大器的具體型號。一個較長DTC允許更低頻的測量，較短的DTC會限制低頻響應。    

內部的電阻和電容值決定了傳感器的放電時間常數和ICP?壓力傳感器的低頻響應。放電時間類似一階R-C高通濾波器的作用，決定了傳感器的低頻響應。另外，信號適調儀的DTC也應該考慮在內，它也會影響整個系統的低頻響應。

典型的壓電式系統輸出

壓電式壓力傳感器系統的輸出特點是AC耦合系統。重復的信號會衰減，直到原始基線上下區域達到相等。當監控事件的幅值出現波動，輸出會在基線附近保持穩定，同時正的區域和負的區域保持相等。 

圖3是一個AC交流信號波形。

在這個例子中，在一個穩態脈寬和脈沖間隔為一秒的AC耦合壓力應用，產生0-2V電壓輸出信號。其頻率保持不變但信號迅速衰減，直到信號在原始基線上下面積區域A=區域B，而且峰值相同。

傳感器結構

壓力傳感器的精密安裝對于**測試是至關重要的。每次安裝前請確認傳感器說明書中的安裝尺寸圖，當您有疑問時，請聯系PCB?工程師取得詳細的安裝指南。使用精密的機加工設備來安裝螺紋孔，并且使用推薦的安裝扭矩。請使用PCB?傳感器提供的安裝硬件，我們還提供不同標準的螺紋適配器來簡化一些傳感器的安裝。

對于自由場爆炸應用，使用具有氣動力外形的安裝可以*小化來自安裝支架或三腳架的反射而產生的不必要的影響。

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。如果壓力測量中傳感器這個部位受到側向載荷會使信號輸出失真。要避免異常的側向載荷應力施加到傳感器的上半部分，這點也很重要。對傳感器上半部分可能會產生側應力的原因包括：電纜對電氣接頭的直角拉緊力；在高橫向振動的環境中，電纜使用一個非常重的適配器連接到小型的電氣接頭上。

在自由場爆炸測試應用，壓力傳感器安裝到一個薄板上，當壓力造成板面彎曲時，傳感器可能會承受側應力，使用O型環安裝可以*小化這種影響。

齊平 vs 嵌入式安裝

板上或者墻上采用齊平安裝壓力傳感器，宜于減少湍流，避免空穴效應，或避免室內容積的增加。嵌入式安裝適宜于壓力傳感器膜片可能會受到超高瞬時溫度或者粒子對撞的應用中。壓力傳感器采用嵌入式安裝將減低測量的高頻能力。這種安裝方式的空穴效應通常會降低傳感器的共振頻率。如圖4典型的齊平安裝 。

如圖5為典型的嵌入式安裝。

  PCB?大多數壓力傳感器都帶有用于齊平安裝的密封圈。部分型號，例如111,112,113系列還可提供用于嵌入式安裝的套管，如果需要額外的套管時請單獨訂購。對于需要頻繁的移動和拆裝的應用，請訂購足夠的備用密封圈或套管。在重新安裝壓力傳感器前，請確認安裝端口中的舊的、變形的密封環已經從安裝孔中移除。

PCB?具有不同的安裝適配器可以簡化壓力傳感器的安裝。壓力傳感器和具有直螺紋的適配器使用密封環進行壓力密封。管螺紋適配器有錐形螺紋，以便壓力密封。對于壓力傳感器的適配器和附件請參考PCB?網站上壓力傳感器網頁獲取更多信息，當然，您可以直接聯系我們的技術工程師咨詢。

壓力傳感器膜片的位置控制可以通過調節直螺紋或密封環的安裝實現。管螺紋安裝不允許傳感器在深度上進行精密定位，因為密封是通過在錐度孔中逐步擰緊螺紋達到要求的螺紋嚙合實現的。管螺紋的安裝孔加工比直螺紋更簡易。管螺紋更適宜一些常規的應用。

熱沖擊

汽車缸內壓力，沖擊壓力，自由場爆炸等應用中壓力脈沖總是會伴隨有熱沖擊。熱沖擊以輻射熱形式存在，例如爆炸的閃光，通過壓力傳感器膜片的熱氣體對流的熱量，或者來自熱液體的傳導熱量。

幾乎所有壓力傳感器對熱沖擊都很敏感。當熱量作用到內部具有晶體的時，熱量會造成內部晶體周圍的外殼擴張。雖然石英晶體對熱沖擊不太敏感，但是外殼的擴張會造成晶體上的預緊力減少，產生負的信號輸出。為了減少這種影響，需要采用各種方法。

某些PCB?石英壓力傳感器內部為了*小化熱沖擊效應的影響采取了具有熱隔離的設計。一些型號具有隔離功能的膜片。其它的傳感器可能需要熱保護涂層，嵌入式安裝或綜合這些方法來降低熱沖擊效應，并*大化頻響范圍。涂層包括硅脂（也可能用于填充安裝孔內）；RTV硅橡膠；乙烯電工膠帶或陶瓷。RTV和膠帶用作防燒蝕材料，而陶瓷涂層用于保護膜片免受腐蝕性氣體和粒子撞擊損傷。

PCB?一些傳感器使用非石英的晶體，例如電氣石雖然對熱沖擊敏感，但是一般用于激波管和水下爆炸傳感器中。在激波管測試中，壓力測量的持續時間通常比較短，一層聚氯乙烯絕緣膠帶足以延緩熱效應的影響。在水下爆炸應用中，熱傳遞在水中并不顯著。

熱沖擊效應與壓力傳感器規格中的溫度系數并無關聯。規格書中的溫度系數是指傳感器相對于在恒溫中的傳感器靈敏度的變化。由于熱沖擊效應不太容易被量化，但是它們必須通過預期和技術手段來實現*小化，以保證更**的測量數據。