壓力傳感器特點(diǎn)及其原理

壓力傳感器(Pressure Transducer)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)換成可用的輸出的電信號(hào)的器件或裝置。壓力傳感器通常由壓力敏感元件和信號(hào)處理單元組成。按不同的測(cè)試壓力類型，壓力傳感器可分為表壓傳感器、差壓傳感器和絕壓傳感器。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)。

壓力傳感器是一種能夠?qū)⑽锢砹哭D(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出的傳感器，主要用于測(cè)量壓力和重量。壓力傳感器具備廣泛的應(yīng)用范圍、高精度和穩(wěn)定性、快速響應(yīng)時(shí)間、低功耗和高效能、耐高溫和耐腐蝕性、多種工作原理、可定制性和可靠性、易于集成和使用等特點(diǎn)。壓力傳感器在工業(yè)控制、汽車制造、醫(yī)療以及環(huán)境等領(lǐng)域的廣泛應(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(guò)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(shuō)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。

重載壓力傳感器是傳感器中一種，但是我們很少聽說(shuō)這種壓力傳感器，它通常被用于交通運(yùn)輸應(yīng)用中，通過(guò)監(jiān)測(cè)氣動(dòng)、輕載液壓、制動(dòng)壓力、機(jī)油壓力、傳動(dòng)裝置、以及卡車/拖車的氣閘等關(guān)鍵系統(tǒng)的壓力、液力、流量及液位來(lái)維持重載設(shè)備的性能。重載壓力傳感器是一種具有外殼、金屬壓力接口以及高電平信號(hào)輸出的壓力測(cè)量裝置。許多傳感器配有圓形金屬或塑料外殼，外觀呈筒狀，一端是壓力接口，另一端是電纜或連接器。這類重載壓力傳感器常用于極端溫度及電磁干擾環(huán)境。工業(yè)及交通運(yùn)輸領(lǐng)域的客戶在控制系統(tǒng)中使用壓力傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液或潤(rùn)滑油等流體的壓力測(cè)量和監(jiān)控。同時(shí)，它還能夠及時(shí)檢測(cè)壓力尖峰反饋，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)阻塞等問(wèn)題，從而即時(shí)找到解決方案。重載壓力傳感器一直在發(fā)展，重載壓力傳感器為了能夠用于更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工程師必需提高傳感器精度同時(shí)需要降低成本便于實(shí)際應(yīng)用等要求。

壓力傳感器的原理

壓力傳感器的原理是傳感器內(nèi)部的應(yīng)變計(jì)測(cè)量被測(cè)物體的應(yīng)變量，然后通過(guò)電纜輸出電信號(hào)，將這些電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行處理，最終得到被測(cè)量物體的壓力值。應(yīng)變計(jì)是一種將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器，可以測(cè)量被測(cè)量物體的形變量，從而計(jì)算出壓力。

工業(yè)控制：壓力傳感器在工業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，主要用于生產(chǎn)和加工過(guò)程中的壓力測(cè)量。例如，它可以用于測(cè)量液體或氣體的壓力，常被用于制藥、化工、食品和飲料等領(lǐng)域。此外，壓力傳感器也可以用于測(cè)量機(jī)器的重量和壓力，以幫助機(jī)器的維護(hù)和保養(yǎng)。

汽車制造：汽車工業(yè)中也廣泛使用了壓力傳感器。例如，它可以用于測(cè)量汽車輪胎的壓力，以幫助司機(jī)保持輪胎的正確氣壓。此外，它還可以用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力和油壓，以幫助司機(jī)監(jiān)控車輛的狀態(tài)。

醫(yī)療應(yīng)用：壓力傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。例如，它可以用于測(cè)量血壓，協(xié)助醫(yī)生診斷和治療高血壓、低血壓等疾病。此外，壓力傳感器還可以用于測(cè)量呼吸機(jī)的壓力，以幫助醫(yī)生和護(hù)士監(jiān)測(cè)病人的呼吸狀態(tài)。

環(huán)境應(yīng)用：壓力傳感器也可以用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。例如，它可以用于測(cè)量大氣壓力、海洋深度和土壤壓力等參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以用于氣象、海洋學(xué)和土壤學(xué)等領(lǐng)域的研究。

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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(guò)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(lái)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

壓力傳感器特點(diǎn)

壓力范圍廣泛：壓力傳感器可適用于不同壓力范圍的測(cè)量，從微小的壓力到極大的壓力，都可以通過(guò)合適的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同應(yīng)用場(chǎng)景和需求都能找到合適的壓力傳感器。

高精度和穩(wěn)定性：壓力傳感器在測(cè)量過(guò)程中能提供高度準(zhǔn)確的結(jié)果，并且具有優(yōu)異的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。其精確度和穩(wěn)定性是許多關(guān)鍵應(yīng)用中不可或缺的特點(diǎn)。

快速響應(yīng)時(shí)間：壓力傳感器對(duì)壓力變化的響應(yīng)速度非?？臁Ｋ鼈兡軌?qū)崟r(shí)捕捉和反饋壓力的變化，從而滿足對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的要求。

低功耗和高效能：許多壓力傳感器采用低功耗的設(shè)計(jì)，以確保其在長(zhǎng)時(shí)間使用中的能效表現(xiàn)。這是非常重要的特點(diǎn)，尤其對(duì)于依賴電池供電的設(shè)備和系統(tǒng)而言。

耐高溫和耐腐蝕：壓力傳感器通常需要在惡劣的環(huán)境條件下使用，如高溫或腐蝕性介質(zhì)。因此，良好的壓力傳感器必須具備耐高溫和耐腐蝕的性能，以確保其可靠性和長(zhǎng)壽命。

多種工作原理：壓力傳感器可采用多種工作原理，如電阻應(yīng)變、壓電效應(yīng)、共振原理等。這使得它們能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，并提供多樣化的選擇。

可定制性和可靠性：由于不同應(yīng)用對(duì)壓力傳感器的要求差異較大，良好的壓力傳感器應(yīng)具有一定的可定制性，并能夠在各種環(huán)境中保持可靠的性能。

易于集成和使用：良好的壓力傳感器應(yīng)具備易于集成和使用的特點(diǎn)，以確保在各種應(yīng)用中的方便性和靈活性。