PCB压力传感器介绍

压电式压力传感器常用来测量动态压力，一般不适用于静态压力的测量。动态压力测量(典型应用如湍流，爆炸，弹道和发动机燃烧等)需要用到有特殊功能的传感器，包括快速响应，外壳坚固，高刚度，可扩展量程和可以测量准静态压力的能力。

PCB®生产和制造两种类型的动态压力传感器，电荷型以及ICP®电压型。电荷型压力传感器输出高阻抗的电荷信号，ICP®电压型传感器特点是内置集成放大电路，可以将高阻抗电荷信号转换成低阻抗电压输出。

传感器结构

压电型压电传感器有各种外观尺寸和螺纹结构，以适应不同的压力测量安装要求。大多数传感器使用石英晶体作为敏感元件，以保证操作的稳定性和可重复性。石英晶体通常在壳体内部进行预紧，以保证传感器具有良好的线性度。电气石是另外一种稳定的天然压电晶体，此类晶体用于需要测量体积灵敏度的传感器中。如图1为具有内置电路的通用型压力传感器。

图1 具有内置电路的通用型压力传感器

极性

当ICP®压力传感器受到一个正压时，传感器产生一个正的电压输出。PCB®电荷型压力传感器的极性刚好相反。当受到一个正压时，传感器产生一个负信号输出。外部电荷放大器通常与电荷输出传感器一起使用，并对信号进行极性反转。电荷输出型传感器与电荷放大器一起组成的测试系统的输出极性与ICP®传感器的输出极性是一样的。当然，我们也有反极性输出的传感器版本。

高频响应

大多数PCB®压电型压力传感器中的石英晶体在坚固的传感器外壳内采用压缩式预紧，电气石晶体采用无约束形式。这些设计使传感器具有微秒级响应时间和几百赫兹的固有频率，能够最小化过冲或者振铃现象发生的可能性。

图2 灵敏度上升图
 

压力传感器的机械结构会对高频测量产生限制。灵敏度在传感器接近固有频率时开始快速上升。灵敏度的上升情况如图2所示。

通常传感器灵敏度偏差低于5%范围内使用是可以接受的。而此时的高频测量上限一般在接近传感器固有频率的20%左右。高频响应可能受激励电流、电缆长度和电缆电容的限制。

低频响应

电荷型压力传感器的低频响应取决于所使用的电荷放大器。放大器设置低频响应的放电时间常数（DTC）可以很长或很短，这取决于使用电荷放大器的具体型号。一个较长DTC允许更低频的测量，较短的DTC会限制低频响应。     

       内部的电阻和电容值决定了传感器的放电时间常数和ICP®压力传感器的低频响应。放电时间类似一阶R-C高通滤波器的作用，决定了传感器的低频响应。另外，信号适调仪的DTC也应该考虑在内，它也会影响整个系统的低频响应。

典型的压电式系统输出

压电式压力传感器系统的输出特点是AC耦合系统。重复的信号会衰减，直到原始基线上下区域达到相等。当监控事件的幅值出现波动，输出会在基线附近保持稳定，同时正的区域和负的区域保持相等。图3是一个AC交流信号波形。 

       在这个例子中，在一个稳态脉宽和脉冲间隔为一秒的AC耦合压力应用，产生0-2V电压输出信号。其频率保持不变但信号迅速衰减，直到信号在原始基线上下面积区域A=区域B，而且峰值相同。

图3 AC交流信号波形

传感器结构

压力传感器的精密安装对于精确测试是至关重要的。每次安装前请确认传感器说明书中的安装尺寸图，当您有疑问时，请联系PCB®工程师取得详细的安装指南。使用精密的机加工设备来安装螺纹孔，并且使用推荐的安装扭矩。请使用PCB®传感器提供的安装硬件，我们还提供不同标准的螺纹适配器来简化一些传感器的安装。 

       对于自由场爆炸应用，使用具有气动力外形的安装可以最小化来自安装支架或三脚架的反射而产生的不必要的影响。 

       许多压力传感器的敏感晶体一般位于传感器底部的膜片处。如果压力测量中传感器这个部位受到侧向载荷会使信号输出失真。要避免异常的侧向载荷应力施加到传感器的上半部分，这点也很重要。对传感器上半部分可能会产生侧应力的原因包括：电缆对电气接头的直角拉紧力；在高横向振动的环境中，电缆使用一个非常重的适配器连接到小型的电气接头上。

       在自由场爆炸测试应用，压力传感器安装到一个薄板上，当压力造成板面弯曲时，传感器可能会承受侧应力，使用O型环安装可以最小化这种影响。

齐平 vs 嵌入式安装

板上或者墙上采用齐平安装压力传感器，宜于减少湍流，避免空穴效应，或避免室内容积的增加。嵌入式安装适宜于压力传感器膜片可能会受到超高瞬时温度或者粒子对撞的应用中。压力传感器采用嵌入式安装将减低测量的高频能力。这种安装方式的空穴效应通常会降低传感器的共振频率。如图4典型的齐平安装 。如图5为典型的嵌入式安装。

 

图4 齐平安装

图5 嵌入式安装 
 

PCB®大多数压力传感器都带有用于齐平安装的密封圈。部分型号，例如111,112,113系列还可提供用于嵌入式安装的套管，如果需要额外的套管时请单独订购。对于需要频繁的移动和拆装的应用，请订购足够的备用密封圈或套管。在重新安装压力传感器前，请确认安装端口中的旧的、变形的密封环已经从安装孔中移除。

       PCB®具有不同的安装适配器可以简化压力传感器的安装。压力传感器和具有直螺纹的适配器使用密封环进行压力密封。管螺纹适配器有锥形螺纹，以便压力密封。对于压力传感器的适配器和附件请参考PCB®网站上压力传感器网页获取更多信息，当然，您可以直接联系我们的技术工程师咨询。 

       压力传感器膜片的位置控制可以通过调节直螺纹或密封环的安装实现。管螺纹安装不允许传感器在深度上进行精密定位，因为密封是通过在锥度孔中逐步拧紧螺纹达到要求的螺纹啮合实现的。管螺纹的安装孔加工比直螺纹更简易。管螺纹更适宜一些常规的应用。

热冲击

汽车缸内压力，冲击压力，自由场爆炸等应用中压力脉冲总是会伴随有热冲击。热冲击以辐射热形式存在，例如爆炸的闪光，通过压力传感器膜片的热气体对流的热量，或者来自热液体的传导热量。 

       几乎所有压力传感器对热冲击都很敏感。当热量作用到内部具有晶体的时，热量会造成内部晶体周围的外壳扩张。虽然石英晶体对热冲击不太敏感，但是外壳的扩张会造成晶体上的预紧力减少，产生负的信号输出。为了减少这种影响，需要采用各种方法。 

       某些PCB®石英压力传感器内部为了最小化热冲击效应的影响采取了具有热隔离的设计。一些型号具有隔离功能的膜片。其它的传感器可能需要热保护涂层，嵌入式安装或综合这些方法来降低热冲击效应，并最大化频响范围。涂层包括硅脂（也可能用于填充安装孔内）；RTV硅橡胶；乙烯电工胶带或陶瓷。RTV和胶带用作防烧蚀材料，而陶瓷涂层用于保护膜片免受腐蚀性气体和粒子撞击损伤。 

       PCB®一些传感器使用非石英的晶体，例如电气石虽然对热冲击敏感，但是一般用于激波管和水下爆炸传感器中。在激波管测试中，压力测量的持续时间通常比较短，一层聚氯乙烯绝缘胶带足以延缓热效应的影响。在水下爆炸应用中，热传递在水中并不显著。 

       热冲击效应与压力传感器规格中的温度系数并无关联。规格书中的温度系数是指传感器相对于在恒温中的传感器灵敏度的变化。由于热冲击效应不太容易被量化，但是它们必须通过预期和技术手段来实现最小化，以保证更精确的测量数据。

审核编辑：郭婷