壓力傳感器工作原理

    壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉
及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、
機(jī)床、管道等眾多行業(yè)，下面就簡(jiǎn)單介紹一些常用傳感器原理及其應(yīng)用

    1 、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用

    力學(xué)傳感器的種類繁多，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式
壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳
感器等。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好
的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。

    在了解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認(rèn)識(shí)一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種
將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成
部分之一。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片
又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種。通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)
生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的
阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通
常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處
理電路（通常是A/D 轉(zhuǎn)換和CPU ）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

    金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

    如圖1 所示，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣
保護(hù)片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電
阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度
過高，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過于復(fù)
雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。

    電阻應(yīng)變片的工作原理

    金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機(jī)械形變而產(chǎn)生阻值變化的
現(xiàn)象，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可用下式表示：

    式中：ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率（Ω。cm2/m ）

    S ——導(dǎo)體的截面積（cm2 ）

    L ——導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m ）

    我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例，當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，
從上式中可很容易看出，其電阻值即會(huì)發(fā)生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度
增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增
加，電阻值則會(huì)減小。只要測(cè)出加在電阻的變化（通常是測(cè)量電阻兩端的電壓），即可獲得
應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情

    2 、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用

    抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片
產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋（閉橋），由于
壓敏電阻的壓阻效應(yīng)，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線性、與激勵(lì)電壓也成正比的電
壓信號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)根據(jù)壓力量程的不同標(biāo)定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應(yīng)變式傳
感器相兼容。通過激光標(biāo)定，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性，傳感器自帶溫度
補(bǔ)償0 ～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸。

    陶瓷是一種公認(rèn)的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和振動(dòng)的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性
及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達(dá)-40 ～135 ℃，而且具有測(cè)量的高精度、高穩(wěn)
定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。高特性，低價(jià)格的陶瓷傳感器將是
壓力傳感器的發(fā)展方向，在歐美國(guó)家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國(guó)也越來越多
的用戶使用陶瓷傳感器替代擴(kuò)散硅壓力傳感器。

    3 、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用

    工作原理被測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產(chǎn)生與
介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(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)于這一壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。

    原理圖

    4 、藍(lán)寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用

    利用應(yīng)變電阻式工作原理，采用硅- 藍(lán)寶石作為半導(dǎo)體敏感元件，具有無(wú)與倫比的計(jì)量
特性。

    藍(lán)寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì)發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；藍(lán)寶石比硅要堅(jiān)
固，硬度更高，不怕形變；藍(lán)寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC 以內(nèi)），因此，
利用硅- 藍(lán)寶石制造的半導(dǎo)體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很
好的工作特性；藍(lán)寶石的抗輻射特性極強(qiáng)；另外，硅- 藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件，無(wú)p-n 漂移，
因此，從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝，提高了重復(fù)性，確保了高成品率。

    用硅- 藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正
常工作，并且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、性價(jià)比高。

    表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測(cè)量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異
質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石薄片，被焊接在鈦合金測(cè)量膜片上。被測(cè)壓力傳送到接
收膜片上（接收膜片與測(cè)量膜片之間用拉桿堅(jiān)固的連接在一起）。在壓力的作用下，鈦合金
接收膜片產(chǎn)生形變，該形變被硅- 藍(lán)寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會(huì)發(fā)生變化，變化的
幅度與被測(cè)壓力成正比。

    傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電
信號(hào)輸出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍(lán)寶石薄片，與陶瓷基
極玻璃焊料連接在一起，起到了彈性元件的作用，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到
壓力測(cè)量的目的。

    5 、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用

    壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英
（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內(nèi)，
壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失（這個(gè)高溫就是所謂的
“居里點(diǎn)”）。由于隨著應(yīng)力的變化電場(chǎng)變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低），所以石英逐
漸被其他的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能
在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)
高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

    現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、PZT 、
鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等。

    壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理，壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過外力
作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，
所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。

    壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用
的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度
傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別
是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力
的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬
間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測(cè)量大的壓力，也可以用來測(cè)量微小的
壓力。

    壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感
器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛