[科普中国]-真空传感器

工作原理

真空传感器的工作原理是介质的压力直接作用在传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这个压力的标准信号。

相关参数综合精度： 0.25%FS、0.5%FS输出信号： 4～20mA(二线制)、0～5V、1～5V、0～10V(三线制)

零点温漂移： ≤±0.05%FS℃

量程温度漂移： ≤±0.05%FS℃

补偿温度： 0~70℃

安全过载： 150%FS

极限过载： 200%FS

响应时间： 5 mS(上升到90%FS)

负载电阻： 电流输出型：最大800Ω；电压输出型：大于5KΩ

绝缘电阻： 大于2000MΩ (100VDC)

密封等级： IP65

长期稳定性能： 0.1%FS/年

振动影响： 在机械振动频率20Hz～1000Hz内，输出变化小于0.1%FS

电气接口(信号接口)： 紧线螺母+四芯屏蔽线

机械连接(螺纹接口)： 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺纹可依据客户要求设计

属性详解1.传感器：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常有敏感元件和转换元件组成。

①敏感元件是指传感器中能直接（或响应）被测量的部分。

②转换元件指传感器中能较敏感元件感受（或响应）的北侧量转换成是与传输和（或）测量的电信号部分。

③当输出为规定的标准信号时，则称为变送器。

2. 测量范围：在允许误差限内被测量值的范围。

3. 量程：测量范围上限值和下限值的代数差。

4. 精确度：被测量的测量结果与真值间的一致程度。

5. 从复性：在所有下述条件下，对同一被测的量进行多次连续测量所得结果之间的符合程度：

6. 分辨力：传感器在规定测量范围圆可能检测出的被测量的最小变化量。

7. 阈值：能使传感器输出端产生可测变化量的被测量的最小变化量。

8. 零位：使输出的绝对值为最小的状态，例如平衡状态。

9. 激励：为使传感器正常工作而施加的外部能量（电压或电流）。

10. 最大激励：在市内条件下，能够施加到传感器上的激励电压或电流的最大值。

11. 输入阻抗：在输出端短路时，传感器输入的端测得的阻抗。

12. 输出：有传感器产生的与外加被测量成函数关系的电量。

13. 输出阻抗：在输入端短路时，传感器输出端测得的阻抗。

14. 零点输出：在市内条件下，所加被测量为零时传感器的输出。

15. 滞后：在规定的范围内，当被测量值增加和减少时，输出中出现的最大差值。

16. 迟后：输出信号变化相对于输入信号变化的时间延迟。

17. 漂移：在一定的时间间隔内，传感器输出终于被测量无关的不需要的变化量。

18. 零点漂移：在规定的时间间隔及室内条件下零点输出时的变化。

19. 灵敏度：传感器输出量的增量与相应的输入量增量之比。

20. 灵敏度漂移：由于灵敏度的变化而引起的校准曲线斜率的变化。

21. 热灵敏度漂移：由于灵敏度的变化而引起的灵敏度漂移。

22. 热零点漂移：由于周围温度变化而引起的零点漂移。

23. 线性度：校准曲线与某一规定只限一致的程度。

24. 菲线性度：校准曲线与某一规定直线偏离的程度。

25.长期稳定性：传感器在规定的时间内仍能保持不超过允许误差的能力。

26. 固有凭率：在无阻力时，传感器的自由（不加外力）振荡凭率。

27. 响应：输出时被测量变化的特性。

28. 补偿温度范围：使传感器保持量程和规定极限内的零平衡所补偿的温度范围。

29. 蠕变：当被测量机器多有环境条件保持恒定时，在规定时间内输出量的变化。

30. 绝缘电阻：如无其他规定，指在室温条件下施加规定的直流电压时，从传感器规定绝缘部分之间测得的电阻值。

场发射真空传感器场发射真空传感器是采用MEMS加工工艺研制一种新型的基于硅尖阵列场发射原理的微型真空传感器。通过理论分析， 确立了该种传感器中硅尖场发射电流与真空度的关系。并利用干法刻蚀工艺， 在硅片上制作了高3.2μm， 曲率半径小于70nm的200 ×42硅尖阵列。保持阳极与硅尖距离为1μm的情况下， 可以观察到阳极电压为10V左右时开始有明显的场发射电流。

利用硅尖阵列场发射电流大小随真空度变化而变化的现象， 研制了一种基于硅尖阵列场发射原理的场发射真空传感器。利用MEMS加工工艺制作出传感器样机， 并搭建测试系统测试其特性。通过实验发现， 随着真空度的提高， 传感器输出电流也会随之增大， 而且真空度越高输出电流越大， 分辨率、灵敏度越高。1

压阻式真空传感器原理压阻式真空传感器的测量部件是一个装有固态压力芯片，该芯片利用半导体材料的压阻效应，在特定晶面上，采用集成电路工艺技术扩散成四个等值电阻，组成一个惠斯登电桥，使得形变与桥阻变化形成一一对应关系，当压力变化时，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电信号，再由感应智能芯片进行非线性修正和温度补偿，最终输出与压力成线性对应关系的标准信号。原理图如图1 所示。

理论函数压阻式真空传感器是压力变送器的一种，是将需要测量的真空变量转换为可输出的标准信号，输出信号与真空变量之间有一定的函数关系，主要用于测量过程中真空参数的测量与控制2。典型的二线制压阻式真空传感器的测量范围0 ～ 100 kPa、工作电压为12 ～ 36 V，工作电流为4 ～ 20 mA 的标准信号输出，采用V /I 转换电路且零位可自由迁移。压阻式真空传感器输出信号和真空度的函数关系式如公式( 1) ：

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

式中： P'为某一真空状态下的示值，kPa； P 为传感器的满量程值，kPa； I 为P'真空状态下对应的输出电流值，mA。

通过公式( 1) 可以得出某一真空传感器在测量范围内任意真空度对应的理论电流输出值，为其准确信号输出提供参考。

在对真空传感器校准时，由于测量误差是按照测量准确度等级划分的，典型的压阻式真空传感器

测量误差和准确度间的函数关系如公式( 2) ：

△A = ( 20 － 4) δP ( 2)

式中： △A 为测量误差的上下限值； P 为此传感器的满量程值，kPa； δ 为某一真空传感器标注的准确度等级。

准确度等级是传感器的主要技术指标，是一个定性的概念，通过公式( 2) 可以换算出真空传感器在某一准确度等级下的测量允许误差限，可以判断真空传感器标注的准确度等级是否正确，如表1 所列。3