著名科學(xué)家、兩院院士王大珩先生曾經(jīng)指出：“機(jī)器是改造世界的工具，儀器是認(rèn)識(shí)世界的工具”。儀器是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，是科學(xué)研究的“先行官”，是軍事上的“戰(zhàn)斗力”，是現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)的“物化法官”。不言而喻，儀器在當(dāng)今時(shí)代推動(dòng)科學(xué)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的地位。
對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，儀器儀表是所有設(shè)備及傳輸通路的“五官”，是現(xiàn)代化工廠建設(shè)最重要的組成部分之一。通過(guò)儀器儀表提供的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，可更及時(shí)地知悉工業(yè)系統(tǒng)的狀態(tài)。
那么壓力傳感器在工業(yè)儀器儀表上的技術(shù)指標(biāo)、演進(jìn)、應(yīng)用等目前狀況如何？我們?cè)诖嗽敿?xì)分析一下。相信通過(guò)這次了解，會(huì)使您對(duì)壓力傳感器在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用有更多一些的理解和認(rèn)識(shí)。
壓力傳感器在工業(yè)儀器儀表行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)
壓力傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，最重要的是要滿足工業(yè)儀器儀表領(lǐng)域不斷發(fā)展及創(chuàng)新的要求。高精度、小型化、智能化、數(shù)據(jù)化是儀器儀表的發(fā)展趨勢(shì)。伴隨著整體工業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜化演進(jìn)，需要越來(lái)越多的儀器儀表具有更高精度，以準(zhǔn)確測(cè)量和獲得到整體系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)和信息；其次，受現(xiàn)場(chǎng)位置和重量的限制，產(chǎn)品也越來(lái)越要求小型化、微型化；第三，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)和其他聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，儀器儀表需要采集更多的數(shù)據(jù)和信息，這不僅對(duì)總體的采集數(shù)量有更多的需求，同樣對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，采集的數(shù)據(jù)或信息也要求更加準(zhǔn)確和多樣。
壓力傳感器根據(jù)工作原理的不同，可分為諸如：金屬應(yīng)變片式壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器、硅壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器等。
其中應(yīng)用較廣泛的是硅電阻式壓力傳感器，其主要原理是利用硅的壓阻效應(yīng)，將機(jī)械構(gòu)件上感應(yīng)力的變化轉(zhuǎn)換為電阻量的變化。這種硅感應(yīng)片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種硅應(yīng)變片都制作成惠斯通電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給后端的處理電路。
如何選擇合適的壓力傳感器
工業(yè)儀器儀表種類(lèi)繁多，每類(lèi)產(chǎn)品根據(jù)具體特性和應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)于壓力傳感器的需求也完全不同。
在選擇傳感器時(shí)，選擇一家種類(lèi)豐富的供應(yīng)商不失為一種更好的選擇，更豐富的產(chǎn)品意味著給客戶更多的選擇和解決方案。TE Connectivity（TE）作為全球連接器和傳感器的領(lǐng)軍企業(yè)之一，不斷為業(yè)界提供廣泛的產(chǎn)品組合。為工業(yè)、測(cè)試和測(cè)量、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域的設(shè)備制造壓力傳感器和變送器，提供各種材料、輸出方式、傳感器技術(shù)和第三方認(rèn)證，可滿足客戶對(duì)液體或氣體壓力測(cè)量的多種要求。
TE數(shù)百種壓力傳感器各具特色，可覆蓋更多的應(yīng)用領(lǐng)域，提供從感應(yīng)元件到系統(tǒng)封裝的壓力傳感器，從板裝式壓力元件到帶有放大輸出并完整封裝的壓力變送器。基于半導(dǎo)體微機(jī)械加工(MEMS)技術(shù)和硅應(yīng)變計(jì)技術(shù)，TE的產(chǎn)品能夠測(cè)量從幾英寸水柱(<5mbar)到100K psi (7K bar)的各種壓力。為一般工業(yè)應(yīng)用、醫(yī)療、HVACR、非公路車(chē)輛/重型設(shè)備，高度計(jì)/導(dǎo)航系統(tǒng)等應(yīng)用創(chuàng)造了可靠及高性?xún)r(jià)比的壓力傳感器解決方案。
壓力傳感器如何滿足儀器儀表需求
我們以TE不銹鋼隔離式壓力傳感器為例，解讀壓力傳感器如何滿足工業(yè)儀器儀表發(fā)展所需。
首先從參數(shù)上來(lái)說(shuō)，該系列產(chǎn)品量程具有相當(dāng)豐富類(lèi)型，從0-1 PSI到數(shù)百甚至上萬(wàn)PSI，可涵蓋多種液體、氣體的壓力測(cè)量，同時(shí)更高的量程也意味著器件擁有更高的可靠性。
其次，遲滯和重復(fù)性達(dá)到±0.02%, 熱遲滯達(dá)到±05%，長(zhǎng)期穩(wěn)定性±01%, 精度可保證在千分之幾的范圍內(nèi)，為準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)了可靠保障，避免因采集端誤差影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。這在半導(dǎo)體行業(yè)和精密氣體流量計(jì)行業(yè)有著突出的優(yōu)勢(shì)。
第三，更寬的溫度補(bǔ)償范圍 (-20℃至85℃)及工作溫度范圍（-40℃至125℃），由于儀器儀表需要面對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，在低溫和高溫下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，可以確保產(chǎn)品的可靠性以及適應(yīng)性，即便在寒冷的東北地區(qū)或酷熱的煉鋼現(xiàn)場(chǎng)，傳感器都可以正常工作。
第四，支持?jǐn)?shù)字、模擬信號(hào)輸出方式。模擬傳感器和數(shù)字傳感器在所采用的技術(shù)、接口、輸出信號(hào)等方面迥然不同，因此可根據(jù)客戶需求選擇。同時(shí)在數(shù)字接口方面，TE也提供了包括SPI、I2C等不同選擇模式，甚至是無(wú)線傳輸系統(tǒng)。用戶可根據(jù)讀取和處理信號(hào)的系統(tǒng)功能選擇。
第四，支持多種連接方式，以滿足客戶的不同應(yīng)用需求。雖然TE提供了標(biāo)準(zhǔn)配置方式，但也可以根據(jù)用戶的特殊要求定制特殊的結(jié)構(gòu)。螺紋連接可采用公端連接和母端連接，并且可設(shè)計(jì)為錐形密封、O型圈或金屬面對(duì)面密封。
第五，提供了平膜式設(shè)計(jì)方案。在特定的醫(yī)療、化工、食品加工等儀表中，與介質(zhì)接觸的傳感器膜片周邊不能存在空腔或縫隙，防止異物殘留。我們的平膜式壓力傳感器可以滿足各種嚴(yán)苛的用戶應(yīng)用。
第六，有多種類(lèi)型的材料供客戶選型。TE選用多種材料的壓力腔室和接頭，以滿足不同待測(cè)環(huán)境，包括17-4PH不銹鋼、316L、合金718、合金C276 和鈦合金等。比如17-4PH不銹鋼材料就適合液壓油、空氣（氮?dú)?，氧氣等）、天然氣、氟利昂、油漆、蒸汽、塑料成型、柴油、二氧化碳等大部分氣體和特殊液體應(yīng)用。而316 L不銹鋼則適合氫、氯化水、氨制冷劑、石油產(chǎn)品（原油或成品油）等應(yīng)用中。
一切以應(yīng)用為導(dǎo)向，是TE產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的宗旨。
通過(guò)覆蓋不同量程、不同分辨率、不同封裝、不同接口等標(biāo)準(zhǔn)，TE構(gòu)建了廣泛的產(chǎn)品線組合，以滿足不同場(chǎng)景應(yīng)用。
明星產(chǎn)品解讀
85BSD系列壓力傳感器是TE乃至業(yè)界廣泛使用的壓力傳感器，具有鮮明的產(chǎn)品特色與優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)儀器和儀表領(lǐng)域。
85BSD壓力傳感器
85BSD壓力傳感器產(chǎn)品是一款外形小巧、介質(zhì)兼容性好的硅壓阻式壓力傳感器，封裝在316L不銹鋼殼體中。該款14位數(shù)字壓力傳感器支持I2C和SPI輸出協(xié)議，供電電壓為 3.3 或 5.0Vdc，可采用焊接式結(jié)構(gòu)或者直接通過(guò)螺紋進(jìn)行過(guò)程連接。傳感器通過(guò)硅油將壓力從316L不銹鋼隔離膜片傳遞到感應(yīng)元件上。85BSD壓力傳感器產(chǎn)品可廣泛設(shè)計(jì)和應(yīng)用于高性能、低壓力量程應(yīng)用領(lǐng)域。由于采用數(shù)字處理技術(shù)，TE特別定制了ASIC芯片以實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償和偏差修正，并且可提供 10~90% 量程或 5~95% 量程二種輸出方式，以方便不同的客戶進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。
除了通過(guò)提供配合儀器儀表的傳感器實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化之外，TE還憑借其強(qiáng)大的系統(tǒng)整合能力，推出多款變送器和無(wú)線模塊，直接應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)中。
M3200系列壓力變送器
TE的M3200壓力變送器具有模擬或數(shù)字輸出，適用于測(cè)量液體或氣體壓力，以及污水、蒸汽、輕度腐蝕性液體等特殊介質(zhì)。M3200壓力變送器的壓力腔體由17-4PH 不銹鋼材料加工而成。TE專(zhuān)有的微熔技術(shù)來(lái)源于嚴(yán)苛要求的航空航天應(yīng)用。該技術(shù)利用高溫微熔玻璃將微機(jī)械加工的壓阻式硅應(yīng)變片黏貼在不銹鋼隔離膜上。該方案在可靠、高效獲取介質(zhì)兼容性的同時(shí)，提供非常高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，避免了壓力變送器在傳統(tǒng)微機(jī)械加工制造工藝過(guò)程中出現(xiàn)的P-N結(jié)效應(yīng)現(xiàn)象。
該款產(chǎn)品特別適用于中、大批量需求的工業(yè)和商業(yè)客戶?？蛇x的壓力量程介于 0-100 至 5,000 PSI之間，支持多種精度選擇。提供五種標(biāo)準(zhǔn)模擬輸出信號(hào)以及 14位數(shù)字壓力和 11 位數(shù)字溫度輸出信號(hào)，更高的集成度使得客戶無(wú)需設(shè)計(jì)額外的接口電路及溫度傳感器。此外，還可直接提供4-20 mA 的輸出信號(hào)，方便客戶接入傳統(tǒng)的工業(yè)系統(tǒng)。
M5600無(wú)線壓力傳感器
M5600壓力傳感器是采用微熔技術(shù)及模塊化無(wú)線信號(hào)的壓力傳感器，它采用不銹鋼和聚碳酸酯外殼封裝結(jié)構(gòu)。這款24位ADC無(wú)線數(shù)字輸出傳感器消除了信號(hào)的硬接線，可通過(guò)藍(lán)牙4.0技術(shù)提供遠(yuǎn)程過(guò)程控制和監(jiān)控。該系列產(chǎn)品適用于測(cè)量液體和氣體，以及污水、蒸氣和輕度腐蝕液等特殊介質(zhì)。壓力端口的隔離材料采用17-4PH或316L不銹鋼，且傳感器與壓力介質(zhì)接觸部分沒(méi)有密封圈、焊縫或任何有機(jī)材料，所以具有優(yōu)異的耐用性和可靠性。M5600 壓力傳感器具有良好的防風(fēng)、防雨能力，優(yōu)于最新的重工業(yè)CE標(biāo)準(zhǔn)。該款無(wú)線壓力傳感器特別適和中、大批量 的客戶。由于是無(wú)線藍(lán)牙連接，用戶可直接在手機(jī)APP端查看數(shù)據(jù)，非常符合未來(lái)智能工廠的發(fā)展趨勢(shì)。
TE卓越傳感器大家庭
作為工業(yè)傳感器領(lǐng)域領(lǐng)軍企業(yè)，除了豐富的壓力傳感器產(chǎn)品系列之外，TE還提供了更多的傳感器品種，涵蓋壓力、溫度、光電、電磁等技術(shù)，應(yīng)用在包括汽車(chē)、工業(yè)、醫(yī)療、電器、航空航天等諸多領(lǐng)域。
TE產(chǎn)品最大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及TE的宗旨，就是通過(guò)采用不同的傳感器組合，不同的傳感器特性，為廣大客戶不同的應(yīng)用場(chǎng)景提供最適合的產(chǎn)品，并提供和支持定制化、模塊化的產(chǎn)品和服務(wù)。