压力传感器原理【详解】

1、压力传感器原理【详解】压力传感器原理内容来源网络，由“深圳机械展（11万 1100多家展商，超10万观众）”收集整理！更 多cnc加工中心、车铳磨钻床、线切割、数控刀 具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人 工厂、精密测量、3D打印、激光切割、锁金冲 压折弯、精密零件加工等展示，就在深圳机械展.一.压力传感器原理一些常用传感器原理及其应用：1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力 传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力 传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等 但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有 极低的价格和

2、较高的精度以及较好的线性特性。 下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一 下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被 测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感 器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分 之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片 和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状 应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应 变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应 变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改 变，从而使加在 电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般 这种应变片都组成应变电桥，并通

3、过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。金属电阻应变片的内部结构1、应变片压力传感器原理课护层金尾电阻应变蛇引线如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它 由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片 和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应 变片的阻 值可以由设计者设计，但电阻的取值 范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的 环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出 零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大, 阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均 为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属

4、电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的 现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值 可用下式表示：式中：p金属导体的电阻率(Q-cm2/m)S导体的截面积(cm2)L导体的长度(m)我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外 力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上 式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假 如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加， 而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外 力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值 则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是 测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的 应变情2、陶谈压力传感器原理压力直接作用

5、在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片 的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压 敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正 比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信3、扩散硅压力传感器原理原理图扩散硅压力传感器的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介 质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生 变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出 一个对应于这一压力的标准测量信号测量电路原理图应变式传感器通常采用电桥线路将应变片的电 阻变化转换成电压变化。由于应变桥路的输出信 号极弱，还需通过放大器将信号进一步放大并进 行一些必要的补偿。信号放大方式

6、可以采用直流 放大或交流放大，应变桥路也就相应地可采用直 流电源或交流电源供电。交流电桥的输出特性方 程及其平衡条件在形式上与直流电桥类似， 只是 其桥臂阻抗与电源频率有关，将各桥臂阻抗代入 公式后的计算要比直流电桥复杂些。 下面仅以直 流电桥为例来分析应变桥路的工作原理、(1)测量电桥电路R1R2UoR4/R3Ui如图所示电桥线路如图为差动仪表放大器应变式传感器的桥路额定输出电压一般为数毫伏到数十毫伏。因此还需将其放大后再进行显示和记录。对于应用较多的直流电桥，多采用低漂移的集成运放（如OP07等）构成零点和增 益可调的直流放大器，并通常采用差动输入方式 进行直流电压放大。RetR2R4R3

7、ReRaRzCzWz1Wz2电桥输出Rot R02 -RetRi供桥电源应变传感器测量电桥电路另外，为提高电桥稳定性和性能，还需要附设桥路初始平衡校准及补偿等附加电路。如图3.12为一应变传感器电桥电路，其中设置了多种补偿和调节电路其中R1R4为应变片组成电桥；Ri用于调节电桥输入阻抗；Ra可以调节电桥输出阻抗；A框中为温度补偿电阻；B 框中设置有零调整电路；C框及A框中Ret共 同构成输出调整电阻；D框中为两套初始平衡校 准电路，Wz1、Rz构成直流初始调零电路， Wz2、Cz用于交流电桥时初始调零（交流相位 调零）。三、特性及相关参数选择压力传感器的种类繁多，其性能也有较大的差 异，在实际

8、应用中，应根据具体的使用场合、条 件和要求，选择较为适用的传感器，做到经济、 合理。、压力传感器的主要性能参数1 .额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合 规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器 所测压力在该范围之内。2 .最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。 特别是 半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一 般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额 定压力以上连续使用也不会被损坏。 一般最大压 力是额定压力最高值的2 3倍。3 .损坏压力损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传 感

9、器元件或传感器外壳损坏的最大压力。4 .线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与 压力之间直线关系的最大偏离。5 .压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压 力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出 之差。6 .温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和 工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度 补偿，精度进入额定范围内的温度范围。 工作温 度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。四、压力传感器应用实例1.陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递， 压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生 微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面， 连接成一个惠

10、斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的 高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标 准的信号根据压力量程的不同标定为 2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V 等，可以和应变式传感器相兼容。 通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿070C,并 可以和绝大多数介质直接接触。2、蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石 作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特 性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会 发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固， 硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性 和绝缘特性（ 10

11、00 OC以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏 感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性； 蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅 -蓝宝石半 导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简 化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品 率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传 感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工 作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性 价比高。3.压电压力传感器原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有 石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二 氧化硅）是一种 天然晶体，压电效应就是在这 种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电 性质

12、一直存在，但温度超过这个范围之后，压电 性质完全消失（这个高温就是所谓的“ 居里 点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的 压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电 灵敏度和压电系 数，但是它只能在室温和湿度 比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人 造晶体，能够承受高温和相当高的湿度， 所以已 经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现 在的压电陶瓷，包括钛酸钢压电陶瓷、 PZT、铝 酸盐系压电陶瓷、铝镁酸铅压电陶瓷等等。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，因为经过外力作用 后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时 才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决 定了压电传感器只能够测量动态的应力压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的 加速度计。它具 有结构简单、体积小、重量轻、 使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器 在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击 测量中已经得到了广泛的应用，特别 是航空和 宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也 可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真 空度的测量。也可以用于