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     深入探究德國(guó)IFM易福門真空傳感器屬性講解及案例分析

IFM真空傳感器是工業(yè)實(shí)踐中常用的一種壓力傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、石化、油井、電力、船舶、機(jī)床、通風(fēng)管道等眾多行業(yè)。

IFM真空傳感器的工作原理是介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測(cè)這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)于這個(gè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

1.傳感器：能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

①敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯樱ɑ蝽憫?yīng)）被測(cè)量的部分。

②轉(zhuǎn)換元件指?jìng)鞲衅髦心茌^敏感元件感受（或響應(yīng)）的北側(cè)量轉(zhuǎn)換成是與傳輸和（或）測(cè)量的電信號(hào)部分。

③當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)時(shí)，則稱為變送器。

2. 測(cè)量范圍：在允許誤差限內(nèi)被測(cè)量值的范圍。

3. 量程：測(cè)量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。

4. 精確度：被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果與真值間的一致程度。

5. 從復(fù)性：在所有下述條件下，對(duì)同一被測(cè)的量進(jìn)行多次連續(xù)測(cè)量所得結(jié)果之間的符合程度：

6. 分辨力：傳感器在規(guī)定測(cè)量范圍圓可能檢測(cè)出的被測(cè)量的最小變化量。

7. 閾值：能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測(cè)變化量的被測(cè)量的最小變化量。

8. 零位：使輸出的絕對(duì)值為最小的狀態(tài)，例如平衡狀態(tài)。

9. 激勵(lì)：為使傳感器正常工作而施加的外部能量（電壓或電流）。

10. 最大激勵(lì)：在市內(nèi)條件下，能夠施加到傳感器上的激勵(lì)電壓或電流的最大值。

11. 輸入阻抗：在輸出端短路時(shí)，傳感器輸入的端測(cè)得的阻抗。

12. 輸出：有傳感器產(chǎn)生的與外加被測(cè)量成函數(shù)關(guān)系的電量。

13. 輸出阻抗：在輸入端短路時(shí)，傳感器輸出端測(cè)得的阻抗。

14. 零點(diǎn)輸出：在市內(nèi)條件下，所加被測(cè)量為零時(shí)傳感器的輸出。

15. 滯后：在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測(cè)量值增加和減少時(shí)，輸出中出現(xiàn)的最大差值。

16. 遲后：輸出信號(hào)變化相對(duì)于輸入信號(hào)變化的時(shí)間延遲。

17. 漂移：在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，傳感器輸出終于被測(cè)量無(wú)關(guān)的不需要的變化量。

18. 零點(diǎn)漂移：在規(guī)定的時(shí)間間隔及室內(nèi)條件下零點(diǎn)輸出時(shí)的變化。

19. 靈敏度：傳感器輸出量的增量與相應(yīng)的輸入量增量之比。

20. 靈敏度漂移：由于靈敏度的變化而引起的校準(zhǔn)曲線斜率的變化。

21. 熱靈敏度漂移：由于靈敏度的變化而引起的靈敏度漂移。

22. 熱零點(diǎn)漂移：由于周圍溫度變化而引起的零點(diǎn)漂移。

23. 線性度：校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定只限一致的程度。

24. 菲線性度：校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線偏離的程度。

25.長(zhǎng)期穩(wěn)定性：傳感器在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)仍能保持不超過(guò)允許誤差的能力。

26. 固有憑率：在無(wú)阻力時(shí)，傳感器的自由（不加外力）振蕩憑率。

27. 響應(yīng)：輸出時(shí)被測(cè)量變化的特性。

28. 補(bǔ)償溫度范圍：使傳感器保持量程和規(guī)定極限內(nèi)的零平衡所補(bǔ)償?shù)臏囟确秶?/p>

29. 蠕變：當(dāng)被測(cè)量機(jī)器多有環(huán)境條件保持恒定時(shí)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)輸出量的變化。

30. 絕緣電阻：如無(wú)其他規(guī)定，指在室溫條件下施加規(guī)定的直流電壓時(shí)，從傳感器規(guī)定絕緣部分之間測(cè)得的電阻值。

場(chǎng)發(fā)射IFM真空傳感器是采用MEMS加工工藝研制一種新型的基于硅尖陣列場(chǎng)發(fā)射原理的微型IFM真空傳感器。通過(guò)理論分析， 確立了該種傳感器中硅尖場(chǎng)發(fā)射電流與真空度的關(guān)系。并利用干法刻蝕工藝， 在硅片上制作了高3.2μm， 曲率半徑小于70nm的200 ×42硅尖陣列。保持陽(yáng)極與硅尖距離為1μm的情況下， 可以觀察到陽(yáng)極電壓為10V左右時(shí)開(kāi)始有明顯的場(chǎng)發(fā)射電流。

利用硅尖陣列場(chǎng)發(fā)射電流大小隨真空度變化而變化的現(xiàn)象， 研制了一種基于硅尖陣列場(chǎng)發(fā)射原理的場(chǎng)發(fā)射IFM真空傳感器。利用MEMS加工工藝制作出傳感器樣機(jī)， 并搭建測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試其特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 隨著真空度的提高， 傳感器輸出電流也會(huì)隨之增大， 而且真空度越高輸出電流越大， 分辨率、靈敏度越高。

原理

壓阻式IFM真空傳感器的測(cè)量部件是一個(gè)裝有固態(tài)壓力芯片，該芯片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術(shù)擴(kuò)散成四個(gè)等值電阻，組成一個(gè)惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成正比的電信號(hào)，再由感應(yīng)智能芯片進(jìn)行非線性修正和溫度補(bǔ)償，最終輸出與壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。原理圖如圖1 所示。

壓阻式IFM真空傳感器的測(cè)量部件是一個(gè)裝有固態(tài)壓力芯片，該芯片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術(shù)擴(kuò)散成四個(gè)等值電阻，組成一個(gè)惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出一個(gè)與壓力成正比的電信號(hào)，再由感應(yīng)智能芯片進(jìn)行非線性修正和溫度補(bǔ)償，最終輸出與壓力成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。原理圖如圖2 所示。

理論函數(shù)

壓阻式IFM真空傳感器是壓力變送器的一種，是將需要測(cè)量的真空變量轉(zhuǎn)換為可輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，輸出信號(hào)與真空變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，主要用于測(cè)量過(guò)程中真空參數(shù)的測(cè)量與控制 [2]  。典型的二線制壓阻式IFM真空傳感器的測(cè)量范圍0 ～ 100 kPa、工作電壓為12 ～ 36 V，工作電流為4 ～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，采用V /I 轉(zhuǎn)換電路且零位可自由遷移。壓阻式IFM真空傳感器輸出信號(hào)和真空度的函數(shù)關(guān)系式如公式( 1) ：

I = 4 + ( 20 - 4) P' ( 1)

式中： P'為某一真空狀態(tài)下的示值，kPa； P 為傳感器的滿量程值，kPa； I 為P'真空狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的輸出電流值，mA。

通過(guò)公式( 1) 可以得出某一IFM真空傳感器在測(cè)量范圍內(nèi)任意真空度對(duì)應(yīng)的理論電流輸出值，為其準(zhǔn)確信號(hào)輸出提供參考。

在對(duì)IFM真空傳感器校準(zhǔn)時(shí)，由于測(cè)量誤差是按照測(cè)量準(zhǔn)確度等級(jí)劃分的，典型的壓阻式IFM真空傳感器

測(cè)量誤差和準(zhǔn)確度間的函數(shù)關(guān)系如公式( 2) ：

△A = ( 20 － 4) δP ( 2)

式中： △A 為測(cè)量誤差的上下限值； P 為此傳感器的滿量程值，kPa； δ 為某一IFM真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級(jí)。

表1

表1

準(zhǔn)確度等級(jí)是傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，是一個(gè)定性的概念，通過(guò)公式( 2) 可以換算出IFM真空傳感器在某一準(zhǔn)確度等級(jí)下的測(cè)量允許誤差限，可以判斷IFM真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級(jí)是否正確，如表1 所列。