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國產高頻壓力傳感器的介紹

來源:成都科大勝英科技有限公司   2025年07月22日 09:23  

國產高頻壓力傳感器近年來發展迅速,在多個領域逐步替代進口產品,性能不斷提升。選擇國產高頻壓力傳感器時,需要重點關注其固有頻率、響應時間、量程、精度、封裝形式、耐溫性、輸出信號類型以及適用的介質等參數。

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主要技術路線及其特點(適用于高頻測量)

  1. 壓阻式:

    • 原理: MEMS硅芯片上擴散或濺射電阻,壓力導致芯片形變,電阻值變化(惠斯通電橋)。

    • 高頻特點: MEMS結構本身可以做得很小很輕,固有頻率高(可達MHz級),響應時間快(微秒級)。是目前高頻動態壓力傳感器的主流技術。

    • 優勢: 技術成熟、成本相對較低、易于小型化和批量化生產、輸出信號大。

    • 劣勢: 對溫度敏感(需溫度補償),在溫度(>150°C)或強腐蝕環境下可能需要特殊封裝或保護。

  2. 壓電式:

    • 原理: 利用石英、陶瓷等壓電材料的壓電效應,壓力產生電荷。

    • 高頻特點: 固有頻率非常高(可達數百kHz甚至MHz),響應時間極短(納秒級),特別適合測量瞬態沖擊波、爆炸壓力等超高速動態壓力。

    • 優勢: 超高頻響應、高剛性、耐高溫(某些材料)。

    • 劣勢: 只能測量動態壓力(無法測靜態),輸出信號小(需要高阻抗電荷放大器),對安裝要求高(需確保良好接觸),成本較高。

  3. 電容式:

    • 原理: 壓力改變電容極板間距或面積,引起電容變化。

    • 高頻特點: 靈敏度高,功耗低,理論上動態響應可以很好(取決于結構設計)。

    • 優勢: 低功耗、高靈敏度、對溫度不敏感。

    • 劣勢: 輸出信號非線性(需復雜電路處理),易受寄生電容和電磁干擾影響,在要求高頻率響應的應用中通常不如壓阻或壓電式普遍。

  4. 光學式:

    • 原理: 利用壓力引起光路參數(強度、相位、波長等)變化進行測量。常見有光纖布拉格光柵、光纖法珀干涉。

    • 高頻特點: 理論上帶寬非常高(GHz級別),響應速度快。光纖本身無電信號,不受電磁干擾。

    • 優勢: 本質安全、抗強電磁干擾、耐高溫高壓、可長距離傳輸、可復用(分布式測量)

    • 劣勢: 系統相對復雜(光源、解調設備),成本較高,解調速度可能限制實際有效帶寬。

選擇國產高頻壓力傳感器的關鍵考慮因素

  1. 固有頻率: 傳感器本身能夠響應的最高頻率。必須遠高于被測壓力的最高頻率分量(通常建議3-5倍以上),否則會產生共振失真。

  2. 響應時間: 傳感器輸出從階躍壓力輸入的10%上升到90%所需的時間。時間越短,響應越快。

  3. 量程: 測量范圍上限。

  4. 精度: 包含非線性、遲滯、重復性、溫度影響等的綜合誤差。

  5. 工作溫度范圍: 傳感器能正常工作的環境溫度。

  6. 介質兼容性: 傳感器膜片材料是否與被測介質兼容(腐蝕性、粘稠度等)。

  7. 封裝與安裝: 安裝方式(螺紋、法蘭、齊平膜等)對高頻響應影響極大。齊平膜安裝能避免腔室效應,是高頻測量的選擇。安裝扭矩、密封件等也需嚴格按照規范。

  8. 輸出信號: 電壓輸出(如0-5V, 0-10V)、電流輸出(4-20mA)、電荷輸出(壓電式)、頻率輸出或數字輸出(如I2C, SPI)。高頻應用中,低噪聲、屏蔽良好的電纜和連接器至關重要。

  9. 供電: 恒流源供電還是恒壓源供電。

  10. 環境適應性: 抗振動、抗沖擊、防護等級(IP等級)等。

重要提示

  • 動態校準: 高頻傳感器的靜態校準(如壓力標定)無法反映其動態性能。進行動態校準(如激波管、落錘液壓動標裝置)對于驗證其高頻響應特性至關重要。

  • 安裝與信號調理: 不正確的安裝(如使用過長的引壓管、未對齊、密封不當)會嚴重劣化高頻響應。選擇合適的信號放大器(尤其是壓電式需要電荷放大器)和低噪聲屏蔽電纜是保證信號質量的關鍵。

  • 共振與阻尼: 了解傳感器的共振頻率,在實際應用中應避免激勵此頻率。有時需要引入適當的阻尼來抑制共振峰,但會犧牲一些高頻響應。

  • 國產替代趨勢: 國產高頻傳感器在性能上正在快速追趕先進水平,尤其在壓阻式動態傳感器方面已有很多成功應用。在成本、供貨周期、定制化服務方面通常具有優勢。但在最嚴苛的應用(如部分航空航天、嚴苛高溫高壓),國際品牌可能仍有優勢。

總結

國產高頻壓力傳感器,特別是基于MEMS壓阻技術(如昆山雙橋)和光纖傳感技術(如北醒光子、星秒光電)的產品,已經能夠滿足大部分工業、科研領域的高頻動態壓力測量需求。在選擇時,務必明確應用需求(頻率范圍、壓力、溫度、介質、環境等),仔細對比不同廠商產品的核心參數(固有頻率、響應時間、精度等),并高度重視正確的安裝和信號處理環節。對于要求高的應用,建議進行動態校準。隨著技術的持續進步,國產高頻傳感器的性能和可靠性將不斷提升,應用范圍也將越來越廣。


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