壓力傳感器測(cè)試過程可靠性分析

2013-09-05 09:27 來源:電源網(wǎng) 作者:蒲公英

1 引言

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力??煽啃允菍?duì)一種產(chǎn)品投入使用時(shí)無故障工作能力的度量。產(chǎn)品可靠性的高低是表示產(chǎn)品在規(guī)定條件下、規(guī)定時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能可能性的大小??煽啃酝ǔ2捎每煽慷?、失效率及MTBF來表示,傳感器等元器件可靠性水平的高低通常用失效率來表示,而設(shè)備可靠性多用可靠度、MTBF、有效度等指標(biāo)來表示。

壓力是生產(chǎn)過程和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)量和控制的最基本參數(shù)之一,而對(duì)壓力進(jìn)行測(cè)量的并能把壓力通過一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的壓力傳感器就成為測(cè)量這一信號(hào)的重要元器件,它被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、石油、化工、生物醫(yī)學(xué)、航海、航天、航空等領(lǐng)域的生產(chǎn)和科研當(dāng)中。傳感器的可靠性是十分重要的,它直接關(guān)系著使用該傳感器的系統(tǒng)的性能,影響著生產(chǎn)和建設(shè)的質(zhì)量和進(jìn)展速度,甚至?xí)韲?yán)重的人身安全問題。在傳感器的使用過程中,其可靠性概念可以作為無故障性,即作為保證按技術(shù)條件所要求的極限的使用指標(biāo)的性能總合性。當(dāng)變換具體物理量的傳感器失效時(shí),就可明白破壞其元件機(jī)械完整性以及輸出測(cè)量參數(shù)偏差而導(dǎo)致整個(gè)安裝此傳感器的產(chǎn)品不能完成任務(wù)的組成事件。而在傳感器的生產(chǎn)過程中,為了保證壓力傳感器對(duì)壓力信號(hào)的測(cè)量、傳遞的精確性、穩(wěn)定性及一致性,就必須對(duì)壓力傳感器的測(cè)試過程的可靠性進(jìn)行分析。

2 壓力傳感器測(cè)試原理

壓力傳感器包括利用壓阻效應(yīng)制造出來的壓阻式壓力傳感器,利用壓電效應(yīng)制造出來的壓電式壓力傳感器、利用應(yīng)變效應(yīng)制造的應(yīng)變式壓力傳感器等,本文僅以壓阻式壓力傳感器為例,說明其測(cè)試原理。

壓阻式壓力傳感器芯體如圖1,R1,R2,R3,R4是4片電阻片,當(dāng)受外力作用時(shí),電阻片R1,R3亦受拉伸作用電阻增大,R2,R4電阻減小,這樣外力F的作用使4個(gè)電阻片電阻值發(fā)生變化。傳感器上的電阻R1,R2,B3,R4接成圖2所示的直流橋路。cd兩端接穩(wěn)壓電源E,ab兩端為電橋電壓輸出端,輸出電壓為U0,如圖2。

式(2)就是電橋平衡條件。在傳感器上貼的電阻片是相同的4片電阻片,在理想狀態(tài)下,設(shè)其電阻值相同,即有

R1=R2=R3=R4=R (3)

所以傳感器不受外力作用時(shí),電橋滿足平衡條件,a,b兩端輸出的電壓U0=0。當(dāng)梁受到載荷F的作用,如圖3所示,電橋不平衡,則有

從式(6)可知電橋輸出的不平衡電壓U0是和電阻的變化△R成正比的,這就是不平衡電橋的工作原理。顯然測(cè)量出的U0的大小可反映外力F的大小。此外由式(6)還可知,若要獲得較大的輸出電壓U0,可以采用較高的電源電壓E,同時(shí)亦說明電源電壓不穩(wěn)定將給測(cè)量結(jié)果帶來誤差。在實(shí)際的生產(chǎn)測(cè)試過程中,橋臂的4個(gè)電阻是不可能完全相同的,測(cè)試時(shí)所加的環(huán)境條件同樣也會(huì)對(duì)傳感器的輸出產(chǎn)生影響。這樣,在環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí),它們的增量△R也是不完全相同的,最終導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果和理想的結(jié)果產(chǎn)生偏差。

3 壓力傳感器測(cè)試過程

壓力傳感器的測(cè)試主要是指溫度輸出特性測(cè)試和壓力輸出特性測(cè)試。溫度輸出特性測(cè)試主要是指壓力傳感器在不同的溫度條件下對(duì)傳感器輸出的影響,主要是指零點(diǎn)溫漂和靈敏度溫漂;壓力輸出特性是指壓力在傳感器的同一環(huán)境條件下對(duì)不同壓力所反映的輸出特性,它主要是測(cè)量傳感器的靜態(tài)特性指標(biāo)。

壓力傳感器測(cè)量系統(tǒng)主要同由壓力源、被測(cè)試壓力傳感器、測(cè)量電路和顯示記錄四部分組成,它們的關(guān)系如圖4所示。

待測(cè)的壓力傳感器在一定的環(huán)境條件(高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱提供)下,并由電源供電后,對(duì)壓力源(活塞式壓力計(jì)或數(shù)字壓力控制器)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量后產(chǎn)生的信號(hào)通過測(cè)量電路(多通道數(shù)據(jù)采集器)最終傳輸?shù)斤@示設(shè)備(計(jì)算機(jī))進(jìn)行顯示和記錄。


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傳感器 可靠性 測(cè)試過程 壓力

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