壓力傳感器原理詳解

1、壓力傳感器原理內(nèi)容來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，由 "深圳機(jī)械展（11萬(wàn)m2 , 1100多家展商，超10萬(wàn)觀眾）”收集整 理！更多 cnc 加工中心、車銑磨鉆床、線切割、數(shù)控刀具工具、工業(yè)機(jī)器人、非標(biāo)自動(dòng)化、 數(shù)字化無(wú)人工廠、精密測(cè)量、 3D 打印、激光切割、鈑金沖壓折彎、精密零件加工等展示， 就在深圳機(jī)械展 .一壓力傳感器原理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

2、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

3、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)1、應(yīng)變片壓力傳感器原理保護(hù)思金厲電陰應(yīng)變絲引線如圖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

4、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：P金屬導(dǎo)體的電阻率（Q?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,絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)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

5、傳感器原理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)。3、擴(kuò)散硅壓力傳感器原理原理圖擴(kuò)散硅壓力傳感器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)。測(cè)量電路原理圖應(yīng)變式傳感器通常采用電橋線路將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化。由于應(yīng)變橋路的輸出信號(hào)極弱，還需通過(guò)放大器將信號(hào)進(jìn)一步放大并進(jìn)行一

6、些必要的補(bǔ)償。信號(hào)放大方式可以采用直流放大或交流放大， 應(yīng)變橋路也就相應(yīng)地可采用直流電源或交流電源供電。交流電橋的輸出特性方程及其平衡條件在形式上與直流電橋類似，只是其橋臂阻抗與電源頻率有關(guān)，將各橋臂阻抗代入公式后的計(jì)算要比直流電橋復(fù)雜些。下面僅以直流電橋?yàn)槔齺?lái)分析應(yīng)變橋路的工作原理、（1） 測(cè)量電橋電路如圖所示電橋線路A1R3R5如圖為差動(dòng)儀表放大器應(yīng)變式傳感器的橋路額定輸出電壓一般為數(shù)毫伏到數(shù)十毫伏。因此還需將其放大后再進(jìn)行顯示和記錄。對(duì)于應(yīng)用較多的直流電橋，多采用低漂移的集成運(yùn)放（如OP07等）構(gòu)成零點(diǎn)和增益可調(diào)的直流放大器，并通常采用差動(dòng)輸入方式進(jìn)行直流電壓放大。RetOr 應(yīng)變傳感器

7、測(cè)量電橋電路RiR4RaR2R3RzCzR01ReRotWz1電橋輸出R02 -RotRetRi供橋電源另外，為提高電橋穩(wěn)定性和性能， 還需要附設(shè)橋路初始平衡校準(zhǔn)及補(bǔ)償?shù)雀郊与娐贰?如 圖3.12為一應(yīng)變傳感器電橋電路，其中設(shè)置了多種補(bǔ)償和調(diào)節(jié)電路。其中R1R4為應(yīng)變片組成電橋；Ri用于調(diào)節(jié)電橋輸入阻抗；Ra可以調(diào)節(jié)電橋輸出阻抗；A框中為溫度補(bǔ)償電阻；B框中設(shè)置有零調(diào)整電路；C框及A框中Ret共同構(gòu)成輸出調(diào)整電阻；D框中為兩套初始平衡校準(zhǔn)電路，Wz1、Rz構(gòu)成直流初始調(diào)零電路，Wz2、Cz用于交流電橋時(shí)初始調(diào)零（交流相位調(diào)零）。三、特性及相關(guān)參數(shù)選擇壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，

8、在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的使用 場(chǎng)合、條件和要求，選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟(jì)、合理。一、壓力傳感器的主要性能參數(shù)1. 額定壓力范圍額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍。也就是在最高和最低溫度之間，傳感器 輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感器所測(cè)壓力在該范圍之內(nèi)。2 .最大壓力范圍最大壓力范圍是指?jìng)鞲衅髂荛L(zhǎng)時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變。 特別是半導(dǎo)體壓力傳感器， 為提高線性和溫度特性， 一般都大幅度減小額定壓力范圍。 因此， 即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會(huì)被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的2-3倍。3.損壞壓力損壞壓力是指能夠加工在傳感器上且不使傳感器

9、元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。4線性度線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離。5. 壓力遲滯為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳 感器輸出之差。6. 溫度范圍壓力傳感器的溫度范圍分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加 了溫度補(bǔ)償， 精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。 工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作 的溫度范圍。四、壓力傳感器應(yīng)用實(shí)例1. 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

10、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070 C,并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直 接接觸。2、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（ 1

11、000 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。3. 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

12、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?。ㄒ簿驼f(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。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(guò)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(lái)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(lái)測(cè)量槍炮