導讀 壓力傳感器是工業(yè)實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

壓力傳感器是工業(yè)實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 

力學傳感器的種類繁多如電阻應(yīng)變片壓力傳感器半導體應(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我們首先認識一下電阻應(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)生力學應(yīng)變基體上當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時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)行機構(gòu)

金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 

電阻應(yīng)變片由基體材料金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔絕緣保護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)計者設(shè)計但電阻的取值范圍應(yīng)注意阻值太小所需的驅(qū)動電流太大同時應(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輸出零點漂移明顯調(diào)零電路過于復雜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)金屬導體的電阻值可用下式表示

式中ρ金屬導體的電阻率（Ωcm2/m）
S導體的截面積（cm2）
L導體的長度（m）

我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例當金屬絲受外力作用時其長度和截面積都會發(fā)生變化從上式中可很容易看出其電阻值即會發(fā)生改變假如金屬絲受外力作用而伸長時其長度增加而截面積減少電阻值便會增大當金屬絲受外力作用而壓縮時長度減小而截面增加電阻值則會減小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)變情況

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)生一個與壓力成正比的高度線性與激勵電壓也成正比的電壓信號標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等可以和應(yīng)變式傳感器相兼容通過激光標定傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性傳感器自帶溫度補償0～70℃并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸

陶瓷是一種公認的高彈性抗腐蝕抗磨損抗沖擊和振動的材料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-40～135℃而且具有測量的高精度高穩(wěn)定性電氣絕緣程度>2kV輸出信號強長期穩(wěn)定性好高特性低價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在中國也越來越多的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器

3擴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)換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號

4藍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-藍寶石作為半導體敏感元件具有無與倫比的計量特性

藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成不會發(fā)生滯后疲勞和蠕變現(xiàn)象藍寶石比硅要堅固硬度更高不怕形變藍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-藍寶石制造的半導體敏感元件對溫度變化不敏感即使在高溫條件下也有著很好的工作特性藍寶石的抗輻射特性極強另外硅-藍寶石半導體敏感元件無p-n漂移因此從根本上簡化了制造工藝提高了重復性確保了高成品率

用硅-藍寶石半導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-藍寶石敏感元件感知后其電橋輸出會發(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)變電橋的失衡信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號輸出（0-54-20mA或0-5V）在絕壓壓力傳感器和變送器中藍寶石薄片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但溫度超過這個范圍之后壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的居里點）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因為經(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才得到保存實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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壓電式加速度傳感器在飛機汽車船舶橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(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)動機內(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