压力传感器的工作原理及应用

压力传感器是zui在工业实践中常用的一种传感器。它广泛应用于各种工业自动控制环境，涉及水利水电、铁路运输、智能建筑、生产自动控制、航空航天、军工、石油化工、油井、电力、船舶、机床、管道等诸多行业。下面简要介绍一些常用的传感器原理及其应用。

1.应变式压力传感器的原理及应用

有许多种机械传感器，例如电阻应变计压力传感器、半导体应变计压力传感器、压阻压力传感器、电感压力传感器、电容压力传感器、谐振压力传感器和电容加速度传感器。然而，zui被广泛用作压阻式压力传感器，具有极低的价格、高精度和良好的线性特性。下面我们主要介绍这种传感器。

为了给电阻式力传感器减压，我们首先识别电阻应变仪的元件。电阻应变计是一种灵敏的装置，它将被测件上的应变变化转换成电信号。它是压阻式应变传感器的主要部件之一。电阻应变片主要由金属电阻应变片和半导体应变片组成。金属电阻应变片包括金属丝应变片和金属箔应变片。通常，应变仪通过特殊的粘合剂紧紧地粘合在产生机械应变的基体上。当基体的应力改变时，电阻应变仪也会一起变形，从而改变应变仪的电阻值，从而改变施加到电阻上的电压。应力作用下应变仪产生的电阻值变化通常很小。通常，应变仪形成应变桥，该应变桥由随后的仪表放大器放大，然后传输到处理电路(通常是模数转换和中央处理器)显示或执行机构。

金属电阻应变仪的内部结构

电阻应变片由基体材料、金属应变片或应变片、绝缘保护片和引出线组成。根据不同的用途，电阻应变片的电阻值可以由设计者设计，但电阻值的取值范围要注意:电阻值太小，所需的驱动电流太大，同时，应变片的发热导致应变片温度过高，在不同的环境中使用会导致应变片电阻值变化过大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。然而，电阻太大，阻抗太高，抵抗外部电磁干扰的能力差。一般来说，从几万欧元到几万欧元不等。

电阻应变仪的工作原理

金属电阻应变仪的工作原理是吸附在基材上的应变电阻随机械变形而变化，俗称电阻应变效应。金属导体的电阻值可由以下公式表示:

其中:& rho& mdash& mdash电阻率(&ω；& middotcm2/m)

S & mdash& mdash导体的横截面积(cm2)

让我们以导线应变电阻为例。当金属丝受到外力时，它的长度和横截面积将会改变。从上面的公式可以很容易地看出，它的电阻值会发生变化。如果导线被外力拉伸，其长度将增加，而横截面积将减小，电阻值将增加。当导线被外力压缩时，长度减小，横截面增大，电阻值减小。只要测量电阻的变化(通常是电阻两端的电压)，就可以获得应变导线的应变。

2.陶瓷压力传感器的原理及应用

耐腐蚀陶瓷压力传感器无液体传输。压力直接作用在陶瓷隔膜的前表面，导致隔膜轻微变形。厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，并连接形成惠斯通电桥(闭合电桥)。由于压阻的压阻效应，电桥产生一个与压力成正比、与激励电压成正比的高线性电压信号。根据不同的压力范围等，标准信号被校准为2.0/3.0/3.3毫伏/伏。它与应变传感器兼容。通过激光校准，传感器具有较高的温度稳定性和时间稳定性。该传感器具有自身0 ~ 70℃的温度补偿，可直接与大多数介质接触。

陶瓷是公认的具有高弹性、耐腐蚀性、耐磨性、抗冲击性和抗振动性的材料。陶瓷及其厚膜电阻的热稳定性使其工作温度范围高达-40 ~ 135℃，测量精度和稳定性高。电绝缘度< 2kV，输出信号强，长期稳定性好。高性能低价格陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。欧洲和美国有取代其他类型传感器的趋势。在中国，越来越多的用户使用陶瓷传感器来代替扩散硅压力传感器。

3.扩散硅压力传感器的原理及应用

工作原理

待测介质的压力直接作用在传感器(不锈钢或陶瓷)的膜片上，使膜片产生与介质压力成比例的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线检测这种变化，并转换和输出对应于该压力的标准测量信号。

4.蓝宝石压力传感器的原理及应用

基于应变电阻原理，硅蓝宝石被用作具有计量特性的半导体敏感元件。

蓝宝石由单晶绝缘体元件组成，不会引起迟滞、疲劳和蠕变。蓝宝石比硅更强，硬度更高，不怕变形。蓝宝石具有非常好的弹性和绝缘特性(低于1000℃)。因此，由硅蓝宝石制成的半导体敏感元件对温度变化不敏感，并且即使在高温条件下也具有良好的工作特性。蓝宝石具有极强的抗辐射能力。此外，硅蓝宝石半导体敏感元件没有p-n漂移，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，保证了高成品率。

硅蓝宝石半导体敏感元件制成的压力传感器和变送器可在较恶劣的工作条件下正常工作，具有高可靠性、高精度、较小温度误差和高性价比。

表压传感器和变送器由两个膜片组成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延应变灵敏电桥电路的蓝宝石片焊接在钛合金测量膜片上。测量的压力被传输到接收膜片(接收膜片和测量膜片通过拉杆牢固地连接在一起)。钛合金接收膜片在压力作用下变形。硅蓝宝石敏感元件检测到变形后，其电桥输出将发生变化，变化幅度与测量压力成正比。

传感器电路可以保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的不平衡信号转换成统一的电信号输出(0-5、4-20mA或0-5V)。在绝对压力传感器和变送器中，蓝宝石片与陶瓷基玻璃焊料连接，作为弹性元件将测量的压力转换成应变仪变形，从而达到压力测量的目的。

5.压电压力传感器的原理及应用

主要用于压电传感器的压电材料包括应时、酒石酸钾钠和磷酸二氢钠。其中，应时(二氧化硅)是发现压电效应的天然晶体。在一定的温度范围内，压电特性总是存在的，但是当温度超过这个范围后，压电特性就完全消失了(这个高温称为& ldquo居里点。).由于电场随着应力的变化略有变化(即压电系数相对较低)，应时逐渐被其他压电晶体取代。酒石酸钾钠具有很高的压电灵敏度和压电系数，但只能应用于室温和湿度较低的环境中。磷酸二氢胺是一种能够耐高温高湿的人造晶体，因此得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用于多晶体，如目前的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、压电陶瓷、铌酸盐压电陶瓷、铌酸铅镁压电陶瓷等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理。压电传感器不能用于静态测量，因为施加外力后的电荷只能在回路具有无限输入阻抗时存储。实际情况并非如此，因此它决定压电传感器只能测量动态应力。

压电传感器主要用于加速度、压力和力的测量。压电加速度计是一种常见的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长的优点。压电加速度传感器已广泛应用于飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑物的振动和冲击测量，尤其是航空和航天领域。压电传感器也可以用来测量发动机的内燃压力和真空。它也可用于军事工业，例如，它可用于测量膛内点火时膛内压力的变化和炮口处的冲击波压力。它可以用来测量大压力和小压力。

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