壓力傳感器的原理簡介

壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應?？茖W家就是根據(jù)這個效應研制出了壓力傳感器。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，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的''居里點”）。由于隨著應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，所以已經得到了廣泛的應用。在現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，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)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、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。它具有結構簡單、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得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領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用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣。除了壓電傳感器之外，還有利用壓阻效應制造出來的壓阻傳感器，利用應變效應的應變式傳感器等，這些不同的壓力傳感器利用不同的效應和不同的材料，在不同的場合能夠發(fā)揮它們獨特的用途。實際應用力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、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變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，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轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。醫(yī)學常用的壓力參數(shù)有：血壓、顱內壓、眼內壓、腸內壓、肺泡壓等，其中最常規(guī)的測量內容是血壓（BloodPressure,BP）。醫(yī)學上測量的血壓有動脈壓、靜脈壓和心內壓（包括心室壓、心房壓）等，每種壓力信號又包括：收縮壓、舒張壓、平均壓。血管內的血液在血管壁單位面積上垂直作用的力，稱為血壓。當人的心臟收縮時，動脈內的壓力最高，此時內壁的壓力稱為收縮壓，亦稱高壓；心室舒張時，主動脈壓下降，在心舒末期動脈血壓的最低值稱為舒張壓，也稱為低壓。血壓的測量，就是采用某種方法檢測和記錄血壓的收縮壓、舒張壓等數(shù) e以及測量血壓的動態(tài)變化。血壓的數(shù)值一艙表示為絕對壓力與大氣壓之差。血壓測量的壓力范圍為0?300mmHg。皿壓測量的頻串范圍通常為0?20Hz。在常規(guī)的臨床檢查中，常常采用人工方式，使用由氣袖、壓力計和聽診5B等部分組成肋脈K計，間接測量人體的收縮壓和舒張壓。與此同時在心血管功能檢查、病人監(jiān)護、生理實驗、以及體格檢查中，廣泛使用帶有各種血壓傳感器的電血壓計，盡管這種儀器十分的準確，技術十分成熟，但是仍存在諸如攜帶不方便，讀數(shù)困難，患者基本不能自測等弊病。德國的赫曼腕式血壓計，通過大規(guī)模集成電路，通過往腕帶中充氣加壓，再通過傳感器使得壓力信號轉化成為電信號，這樣不僅大大縮小了總體積，還配上一個脈搏傳感器，就可以在測量血壓的同時完成測量心跳，單位換算等諸多功能，十分方便，為患者自行診斷提供了可能。電阻應變片的工作原理金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：p=RS/L式中：p——金屬導體的電阻率（Q。cm2/m）S——導體的截面積（cm2）L 導體的長度（m）我們以金屬絲應變電阻為例，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），即可獲得應變金屬絲的應變情況。陶瓷壓力傳感器原理及應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，使電橋產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2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應變式傳感器相兼容。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°C,并可以和絕大多數(shù)介質直接接觸。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?135C,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。擴散硅壓力傳感器原理及應用工作原理被測介質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生與介質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，并轉換輸出一個對應于這一壓力的標準測量信號。藍寶石壓力傳感器原理與應用利用應變電阻式工作原理，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（1000OC以內），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。表壓壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延性應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變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統(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，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。壓電壓力傳感器原理與應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，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的'、居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(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，所以已經得到了廣泛的應用。現(xiàn)在壓電效應也應用在多晶體上，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)的應力。壓電傳感器主要應用在加速度、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。它具有結構簡單、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得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領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用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣泛。結構金屬電阻應變片的內部結構電阻應變片的結構由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發(fā)熱致使本身的溫度過高，不同的環(huán)境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。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。原則現(xiàn)代傳感器在原理與結構上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進行某個量的測量時首先要解決的問題。當傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設備也就可以確定了。測量結果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。1、 根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型要進行一個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。2、 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內，希望傳感器的靈敏度越高越好。因為只有靈敏度高時，與被測量變化對應的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的廠擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。3、 頻率響應特性傳感器的頻率響應特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應總有一定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結構特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應根據(jù)信號的特點（穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等）響應特性，以免產生過火的誤差。4、 線性范圍傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感