壓力傳感器工作原理
壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中較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)用較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)用較多的是金屬電阻應(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)

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時(shí)，其長度增加，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)，長度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），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，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢(shì)，在中國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p-n漂移，因此，從根本上簡化了制造工藝，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，被焊接在鈦合金測量膜片上。被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測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，將被測壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變，從而達(dá)到壓力測量的目的。

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)力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f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)測量，因?yàn)榻?jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時(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)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(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量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測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。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。

　　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。

人體具有壓覺，人體皮膚深層結(jié)構(gòu)內(nèi)存在大量壓力感受器。當(dāng)機(jī)械刺激導(dǎo)致皮膚變形時(shí)，會(huì)引起感受器及神經(jīng)末梢變形，壓力感受器進(jìn)入興奮狀態(tài)，引起神經(jīng)末梢發(fā)出神經(jīng)沖動(dòng)，傳入大腦皮層感覺區(qū)產(chǎn)生壓覺。

機(jī)器的壓覺來自各種壓力傳感器(Pressure Transducer)。壓力傳感器是能感受壓力信號(hào)，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)的器件或裝置，通常由基于不同物理效應(yīng)的壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。下面介紹幾種常見的壓力傳感器。

1. 基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的壓力傳感器，我們知道，金屬導(dǎo)體的電阻值R與電阻率ρ和導(dǎo)體長度L成正比，與截面積S成反比。當(dāng)金屬導(dǎo)體受力而產(chǎn)生拉伸或壓縮等機(jī)械變形時(shí)，L和S都會(huì)發(fā)生改變，從而引起電阻值發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。從圖中可以看出，當(dāng)金屬導(dǎo)體受到拉力F作用時(shí)產(chǎn)生了拉伸變形，長度由L變?yōu)長+ΔL，面積由S縮小到S’，從而導(dǎo)致該導(dǎo)體電阻值增大。

利用金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)可以制作壓力傳感器的感壓元件——金屬電阻應(yīng)變片，常用的有金屬絲式和金屬箔式兩種類型。下面的圖給出一種金屬絲電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)，由電阻絲式敏感柵、基底、覆蓋層和引線四部分構(gòu)成。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的工作電流大，輸出信號(hào)也大，靈敏度就高。但工作電流過大會(huì)使應(yīng)變片過熱，甚至燒毀應(yīng)變片。金屬箔敏感珊與基底的接觸面積比金屬絲大，因此散熱條件好，工作電流可取得更大一些。

2. 基于壓阻效應(yīng)的壓力傳感器，1954年美國材料學(xué)家C.S 史密斯在對(duì)硅和鍺的電阻率與應(yīng)力變化特性測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)受到外力作用時(shí)電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)制作的壓力傳感器的感壓元件稱為半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片，其靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片大幾十倍，且機(jī)械滯后小，但溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多。

在我們的日常生活中，隨處可以發(fā)現(xiàn)壓阻材料的應(yīng)用。例如，一種稱為壓敏導(dǎo)電橡膠的壓阻材料，在不受力時(shí)如同絕緣體，但施壓時(shí)其電阻隨著壓力的增加而變小。利于這個(gè)特點(diǎn)，可以制作各種壓控開關(guān)。無壓力時(shí)壓敏導(dǎo)電橡膠是絕緣體，如同開關(guān)斷開；當(dāng)壓力達(dá)到某閾值時(shí)，其電阻大大降低，壓敏導(dǎo)電橡膠轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體，如同開關(guān)接通。

金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)與半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)都表現(xiàn)為感壓元件的電阻隨外力的變化而改變，兩者的區(qū)別是：前者的電阻變化是截面和長度等結(jié)構(gòu)尺寸變化所致，而后者的電阻變化是電阻率變化所致。

3. 基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器，1880年，兩位年輕的法國科學(xué)家兄弟皮埃爾·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）發(fā)現(xiàn)晶體具有一個(gè)特殊性質(zhì)：當(dāng)沿一定方向?qū)M足一定對(duì)稱性的晶體材料施加外力時(shí)，晶體材料會(huì)發(fā)生形狀改變，同時(shí)其兩個(gè)相對(duì)的表面上會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷，電荷量與受力大小成正比；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；當(dāng)外力撤掉后，它又會(huì)恢復(fù)不帶電狀態(tài)。這個(gè)性質(zhì)稱為晶體的壓電效應(yīng)。

晶體是否具有壓電效應(yīng)，是由晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性所決定的。以石英晶體為例，從下圖以看出，當(dāng)沒有外力作用時(shí)，石英晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性使其內(nèi)部正負(fù)電荷的作用相互抵消，對(duì)外呈不帶電狀態(tài)。當(dāng)在外力的作用下發(fā)生形狀改變時(shí)，其結(jié)構(gòu)對(duì)稱性發(fā)生改變，內(nèi)部正負(fù)電荷的作用不再相互抵消，出現(xiàn)了電極化，對(duì)外呈現(xiàn)帶電狀態(tài)。

利用壓電效應(yīng)可以制作壓電傳感器。常用的壓電材料有壓電陶瓷、壓電晶體、壓電復(fù)合材料等，其應(yīng)用遍及我們?nèi)粘Ｉ詈透咝录夹g(shù)領(lǐng)域的方方面面。例如，打火機(jī)、煤氣灶、熱水器、汽車等的點(diǎn)火要用到壓電點(diǎn)火器，雷達(dá)、通信和導(dǎo)航設(shè)備中需要大量壓電陶瓷濾波器，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域利用壓電材料進(jìn)行免疫檢測、制作人工耳蝸等。

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