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     深入探究德國IFM易福門真空傳感器屬性講解及案例分析

IFM真空傳感器是工業實踐中常用的一種壓力傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、石化、油井、電力、船舶、機床、通風管道等眾多行業。

IFM真空傳感器的工作原理是介質的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉換輸出一個對應于這個壓力的標準信號。

1.傳感器：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感元件和轉換元件組成。

①敏感元件是指傳感器中能直接（或響應）被測量的部分。

②轉換元件指傳感器中能較敏感元件感受（或響應）的北側量轉換成是與傳輸和（或）測量的電信號部分。

③當輸出為規定的標準信號時，則稱為變送器。

2. 測量范圍：在允許誤差限內被測量值的范圍。

3. 量程：測量范圍上限值和下限值的代數差。

4. 精確度：被測量的測量結果與真值間的一致程度。

5. 從復性：在所有下述條件下，對同一被測的量進行多次連續測量所得結果之間的符合程度：

6. 分辨力：傳感器在規定測量范圍圓可能檢測出的被測量的最小變化量。

7. 閾值：能使傳感器輸出端產生可測變化量的被測量的最小變化量。

8. 零位：使輸出的絕對值為最小的狀態，例如平衡狀態。

9. 激勵：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：在市內條件下，能夠施加到傳感器上的激勵電壓或電流的最大值。

11. 輸入阻抗：在輸出端短路時，傳感器輸入的端測得的阻抗。

12. 輸出：有傳感器產生的與外加被測量成函數關系的電量。

13. 輸出阻抗：在輸入端短路時，傳感器輸出端測得的阻抗。

14. 零點輸出：在市內條件下，所加被測量為零時傳感器的輸出。

15. 滯后：在規定的范圍內，當被測量值增加和減少時，輸出中出現的最大差值。

16. 遲后：輸出信號變化相對于輸入信號變化的時間延遲。

17. 漂移：在一定的時間間隔內，傳感器輸出終于被測量無關的不需要的變化量。

18. 零點漂移：在規定的時間間隔及室內條件下零點輸出時的變化。

19. 靈敏度：傳感器輸出量的增量與相應的輸入量增量之比。

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. 熱零點漂移：由于周圍溫度變化而引起的零點漂移。

23. 線性度：校準曲線與某一規定只限一致的程度。

24. 菲線性度：校準曲線與某一規定直線偏離的程度。

25.長期穩定性：傳感器在規定的時間內仍能保持不超過允許誤差的能力。

26. 固有憑率：在無阻力時，傳感器的自由（不加外力）振蕩憑率。

27. 響應：輸出時被測量變化的特性。

28. 補償溫度范圍：使傳感器保持量程和規定極限內的零平衡所補償的溫度范圍。

29. 蠕變：當被測量機器多有環境條件保持恒定時，在規定時間內輸出量的變化。

30. 絕緣電阻：如無其他規定，指在室溫條件下施加規定的直流電壓時，從傳感器規定絕緣部分之間測得的電阻值。

場發射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發射原理的微型IFM真空傳感器。通過理論分析， 確立了該種傳感器中硅尖場發射電流與真空度的關系。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。保持陽極與硅尖距離為1μm的情況下， 可以觀察到陽極電壓為10V左右時開始有明顯的場發射電流。

利用硅尖陣列場發射電流大小隨真空度變化而變化的現象， 研制了一種基于硅尖陣列場發射原理的場發射IFM真空傳感器。利用MEMS加工工藝制作出傳感器樣機， 并搭建測試系統測試其特性。通過實驗發現， 隨著真空度的提高， 傳感器輸出電流也會隨之增大， 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真空傳感器的測量部件是一個裝有固態壓力芯片，該芯片利用半導體材料的壓阻效應，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應關系，當壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應關系的標準信號。原理圖如圖1 所示。

壓阻式IFM真空傳感器的測量部件是一個裝有固態壓力芯片，該芯片利用半導體材料的壓阻效應，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應關系，當壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應關系的標準信號。原理圖如圖2 所示。

理論函數

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

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

式中： P'為某一真空狀態下的示值，kPa； P 為傳感器的滿量程值，kPa； I 為P'真空狀態下對應的輸出電流值，mA。

通過公式( 1) 可以得出某一IFM真空傳感器在測量范圍內任意真空度對應的理論電流輸出值，為其準確信號輸出提供參考。

在對IFM真空傳感器校準時，由于測量誤差是按照測量準確度等級劃分的，典型的壓阻式IFM真空傳感器

測量誤差和準確度間的函數關系如公式( 2) ：

△A = ( 20 － 4) δP ( 2)

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

表1

表1

準確度等級是傳感器的主要技術指標，是一個定性的概念，通過公式( 2) 可以換算出IFM真空傳感器在某一準確度等級下的測量允許誤差限，可以判斷IFM真空傳感器標注的準確度等級是否正確，如表1 所列。