压力传感器原理

压力传感器原理简介压力传感器技术原理机械式压力传感器：液柱式包括水银柱和U型管，主要用于小量程压力检测和压差检测，由于其简单可靠和直观性，U型压差计至今仍在工业控制中得到广泛应用。但由于其无法直接得到电信号，且量程较小，限制了其在工业自动控制中的应用。金属螺旋管压敏元件和机械读数法当弹性金属螺旋管内充满流体时，流体压力的改变会造成螺旋管的形变，从而制成压力敏感元件，所用金属螺旋管称为布尔登管。其一端固定，一端在压力作用下可自由伸缩，如自由端在压力下的位移由齿轮系统放大后，带动压力表指针转动。布尔登管压力计一般精度不高，最多只能到满量程的0.1%，当被测压力在满量程下端时，误差更大。同液柱式压力计，布尔登管也难以用于工业自动控制系统。弹性膜片压敏元件及其压力计弹性膜片是应用最广泛的压力敏感元件，不但机械式压力传感器，也是各类电子式压力传感器的基础。在均匀压力的作用下，一个周边固定半径为R的圆形金属膜片的中心点在垂直于膜片平面方向的凹凸变形量Y0：Y0=E为材料杨氏模量，v为泊松比为了进一步改善灵敏度和线性范围，膜片可以设计成波纹状，下图以上介绍的机械螺旋管、膜片和波纹鼓压力敏感元件，配上机械传动的指针来显示压力数值，其虽然可以直观地显示流体的压力，但不能适应现代工业遥测和自动控制的需要。采用位移式传感器测量压力为了能将压力转换为电信号，机械式膜片和波纹鼓动位移用电子位移传感器测出，机械式压力计便成为可直接应用于现代工业自动化系统中的电子类压力传感器。如可变电势差压力传感器，其测量电路简单，信号无需放大，但其体积大，动态响应差，接点易磨损。可变电势差压力传感器线性差分变压器非常适合测量微小的位移，可达亚微米级，灵敏度极高，而其两个输出线圈构成一个差分信号检测电路，抗干扰能力很强。但其机械结构复杂，体积大，动态响应差。电容式压力传感器膜片电容压力传感器是两个相互电绝缘的有一定导电性的极板组成，可看成一标准的平行板电容器，其中一个电极板是可在外加压力的作用下产生形变的弹性膜片，另一个极板固定在传感器的外壳上不会在压力作用下变形。当压力变化引起检测极板变形改变压力电容器极板间距，进而引起电容量变化来检测压力变化。电容式绝对压力传感器膜片电容压力传感器也可设计成差分式，以提高灵敏度，稳定性和抗干扰能力。压敏膜片是公用的极板，另外两个极板固定，膜片两方压力不同，膜片的变形导致一侧电容增加，另一侧电容下降，两个压力电容与另外两个外接电容组合成交流电桥，可以非常灵敏的测量两个压力电容的差值。硅微加工电容式压力传感器其体积小，集成度高，成本低，静态和动态性能良好，可大批量制造。其以半导体硅为基板，首先形成氧化硅或氮化硅绝缘层，再形成一层金属薄膜电极。电极的上方是绝缘的氧化硅或氮化硅围成的空腔，空腔上口是单晶硅、多晶硅或氮化硅弹性膜片，膜片上表面为薄膜金属电极层。目前硅微加工电容式压力传感器是应用最为普遍的压力传感器之一。基于压阻应变片的压力传感器在现代各类原理的压力传感器中，以压阻应变片为基础的压力传感器是应用最广泛的两种类型中的一种（另一种既是电容式压力传感器），此两类原理有可分为粘贴应变片式压力传感器、薄膜应变片式压力传感器、硅压阻压力传感器、厚膜压阻压力传感器、硅电容压力传感器、厚膜电容压力传感器。各类应变片，如线绕式应变片、金属合金薄膜、半导体厚膜或薄膜均可以和弹性膜片配合，制成不同结构的压力传感器。应变片技术原理以线体导电丝为例，设其长度为L，截面积为A，电阻率为ρ，其电阻值可表示为R=当导电丝沿长度受到应力影响发生应变时，其长度、截面积、电阻率均会有微小的改变，电阻也因而改变。压阻应变片一般是将压阻材料镀在绝缘材料极板上而成，对压阻材料的基本要求如下：线性度好，以便简化读出电路并提高检测精度；灵敏度系数高，以便提高电信号的幅度，降低电路读出误差；应变范围大，以便于增大应用范围；电阻率高，以便减小应变传感器的尺寸并与测量电路相匹配（小电流）；滞后效应低，以便传感器能有很好的重复性和良好的响