壓力傳感器的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)及其應用(yòng)

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 壓力傳感器是工(gōng)業實踐中最爲常用(yòng)的一種傳感器，其廣泛應用(yòng)于各種工(gōng)業自(zì)控環境，涉及水(shuǐ)利水(shuǐ)電、鐵(tiě)路交通、智能(néng)建築、生産自(zì)控、航空(kōng)航天、軍工(gōng)、石化、油井、電力、船(chuán)舶、機床、管道(dào)等衆多行業，下(xià)面就簡單介紹一些(xiē)常用(yòng)傳感器原理(lǐ)及其應用(yòng)。 

1、應變片壓力傳感器原理(lǐ)與應用(yòng) 
    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(dàn)應用(yòng)最爲廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低(dī)的價格和(hé)較高(gāo)的精度以及較好(hǎo)的線性特性。下(xià)面我們主要介紹這(zhè)類傳感器。 

    在了(le)解壓阻式力傳感器時(shí)，我們首先認識一下(xià)電阻應變片這(zhè)種元件。電阻應變片是一種将被測件上(shàng)的應變變化轉換成爲一種電信号的敏感器件。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(yòng)最多的是金(jīn)屬電阻應變片和(hé)半導體應變片兩種。金(jīn)屬電阻應變片又有絲狀應變片和(hé)金(jīn)屬箔狀應變片兩種。通常是将應變片通過特殊的粘和(hé)劑緊密的粘合在産生力學應變基體上(shàng)，當基體受力發生應力變化時(shí)，電阻應變片也(yě)一起産生形變，使應變片的阻值發生改變，從(cóng)而使加在電阻上(shàng)的電壓發生變化。這(zhè)種應變片在受力時(shí)産生的阻值變化通常較小(xiǎo)，一般這(zhè)種應變片都組成應變電橋，并通過後續的儀表放(fàng)大(dà)器進行放(fàng)大(dà)，再傳輸給處理(lǐ)電路（通常是A/D轉換和(hé)CPU）顯示或執行機構。

金(jīn)屬電阻應變片的内部結構 

    電阻應變片由基體材料、金(jīn)屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和(hé)引出線等部分組成。根據不同的用(yòng)途，電阻應變片的阻值可以由設計(jì)者設計(jì)，但(dàn)電阻的取值範圍應注意：阻值太小(xiǎo)，所需的驅動電流太大(dà)，同時(shí)應變片的發熱緻使本身的溫度過高(gāo)，不同的環境中使用(yòng)，使應變片的阻值變化太大(dà)，輸出零點漂移明(míng)顯，調零電路過于複雜(zá)。而電阻太大(dà)，阻抗太高(gāo)，抗外(wài)界的電磁幹擾能(néng)力較差。一般均爲幾十歐至幾十千歐左右。 

電阻應變片的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ) 

   金(jīn)屬電阻應變片的工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)是吸附在基體材料上(shàng)應變電阻随機械形變而産生阻值變化的現(xiàn)象，俗稱爲電阻應變效應。金(jīn)屬導體的電阻值可用(yòng)下(xià)式表示： 

式中：ρ——金(jīn)屬導體的電阻率（Ω·cm2/m） 
S——導體的截面積（cm2） 
L——導體的長度（m） 

     我們以金(jīn)屬絲應變電阻爲例，當金(jīn)屬絲受外(wài)力作(zuò)用(yòng)時(shí)，其長度和(hé)截面積都會(huì)發生變化，從(cóng)上(shàng)式中可很(hěn)容易看(kàn)出，其電阻值即會(huì)發生改變，假如金(jīn)屬絲受外(wài)力作(zuò)用(yòng)而伸長時(shí)，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增大(dà)。當金(jīn)屬絲受外(wài)力作(zuò)用(yòng)而壓縮時(shí)，長度減小(xiǎo)而截面增加，電阻值則會(huì)減小(xiǎo)。隻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(jīn)屬絲的應變情況。 

2、陶瓷壓力傳感器原理(lǐ)及應用(yòng) 

    抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作(zuò)用(yòng)在陶瓷膜片的前表面，使膜片産生微小(xiǎo)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，使電橋産生一個與壓力成正比的高(gāo)度線性、與激勵電壓也(yě)成正比的電壓信号，标準的信号根據壓力量程的不同标定爲2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和(hé)應變式傳感器相兼容。通過激光标定，傳感器具有很(hěn)高(gāo)的溫度穩定性和(hé)時(shí)間穩定性，傳感器自(zì)帶溫度補償0～70℃，并可以和(hé)絕大(dà)多數介質直接接觸。 

    陶瓷是一種公認的高(gāo)彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗沖擊和(hé)振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工(gōng)作(zuò)溫度範圍高(gāo)達-40～135℃，而且具有測量的高(gāo)精度、高(gāo)穩定性。電氣絕緣程度>2kV，輸出信号強，長期穩定性好(hǎo)。高(gāo)特性，低(dī)價格的陶瓷傳感器将是壓力傳感器的發展方向，在歐美(měi)國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢，在中國也(yě)越來(lái)越多的用(yòng)戶使用(yòng)陶瓷傳感器替代擴散矽壓力傳感器。 

3、擴散矽壓力傳感器原理(lǐ)及應用(yòng) 

工(gōng)作(zuò)原理(lǐ) 

     被測介質的壓力直接作(zuò)用(yòng)于傳感器的膜片上(shàng)（不鏽鋼或陶瓷），使膜片産生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，和(hé)用(yòng)電子線路檢測這(zhè)一變化，并轉換輸出一個對(duì)應于這(zhè)一壓力的标準測量信号。 

4、藍寶石壓力傳感器原理(lǐ)與應用(yòng) 

利用(yòng)應變電阻式工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)，采用(yòng)矽-藍寶石作(zuò)爲半導體敏感元件，具有無與倫比的計(jì)量特性。 

    藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會(huì)發生滞後、疲勞和(hé)蠕變現(xiàn)象；藍寶石比矽要堅固，硬度更高(gāo)，不怕形變；藍寶石有着非常好(hǎo)的彈性和(hé)絕緣特性（1000 OC以内），因此，利用(yòng)矽-藍寶石制造的半導體敏感元件，對(duì)溫度變化不敏感，即使在高(gāo)溫條件下(xià)，也(yě)有着很(hěn)好(hǎo)的工(gōng)作(zuò)特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外(wài)，矽-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從(cóng)根本上(shàng)簡化了(le)制造工(gōng)藝，提高(gāo)了(le)重複性，确保了(le)高(gāo)成品率。 

用(yòng)矽-藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和(hé)變送器，可在最惡劣的工(gōng)作(zuò)條件下(xià)正常工(gōng)作(zuò)，并且可靠性高(gāo)、精度好(hǎo)、溫度誤差極小(xiǎo)、性價比高(gāo)。 

     表壓壓力傳感器和(hé)變送器由雙膜片構成：钛合金(jīn)測量膜片和(hé)钛合金(jīn)接收膜片。印刷有異質外(wài)延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在钛合金(jīn)測量膜片上(shàng)。被測壓力傳送到(dào)接收膜片上(shàng)（接收膜片與測量膜片之間用(yòng)拉杆堅固的連接在一起）。在壓力的作(zuò)用(yòng)下(xià)，钛合金(jīn)接收膜片産生形變，該形變被矽-藍寶石敏感元件感知(zhī)後，其電橋輸出會(huì)發生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。 

    傳感器的電路能(néng)夠保證應變電橋電路的供電，并将應變電橋的失衡信号轉換爲統一的電信号輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕壓壓力傳感器和(hé)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(dào)了(le)彈性元件的作(zuò)用(yòng)，将被測壓力轉換爲應變片形變，從(cóng)而達到(dào)壓力測量的目的。 

5、壓電壓力傳感器原理(lǐ)與應用(yòng) 

     壓電傳感器中主要使用(yòng)的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和(hé)磷酸二氫胺。其中石英（二氧化矽）是一種天然晶體，壓電效應就是在這(zhè)種晶體中發現(xiàn)的，在一定的溫度範圍之内，壓電性質一直存在，但(dàn)溫度超過這(zhè)個範圍之後，壓電性質完全消失（這(zhè)個高(gāo)溫就是所謂的“居裏點”）。由于随着應力的變化電場變化微小(xiǎo)（也(yě)就說壓電系數比較低(dī)），所以石英逐漸被其他(tā)的壓電晶體所替代。而酒石酸鉀鈉具有很(hěn)大(dà)的壓電靈敏度和(hé)壓電系數，但(dàn)是它隻能(néng)在室溫和(hé)濕度比較低(dī)的環境下(xià)才能(néng)夠應用(yòng)。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能(néng)夠承受高(gāo)溫和(hé)相當高(gāo)的濕度，所以已經得到(dào)了(le)廣泛的應用(yòng)。 

    現(xiàn)在壓電效應也(yě)應用(yòng)在多晶體上(shàng)，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括钛酸鋇壓電陶瓷、PZT、铌酸鹽系壓電陶瓷、铌鎂酸鉛壓電陶瓷等等。 

    壓電效應是壓電傳感器的主要工(gōng)作(zuò)原理(lǐ)，壓電傳感器不能(néng)用(yòng)于靜态測量，因爲經過外(wài)力作(zuò)用(yòng)後的電荷，隻有在回路具有無限大(dà)的輸入阻抗時(shí)才得到(dào)保存。實際的情況不是這(zhè)樣的，所以這(zhè)決定了(le)壓電傳感器隻能(néng)夠測量動态的應力。 

     壓電傳感器主要應用(yòng)在加速度、壓力和(hé)力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用(yòng)的加速度計(jì)。它具有結構簡單、體積小(xiǎo)、重量輕、使用(yòng)壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛(fēi)機、汽車、船(chuán)舶、橋梁和(hé)建築的振動和(hé)沖擊測量中已經得到(dào)了(le)廣泛的應用(yòng)，特别是航空(kōng)和(hé)宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也(yě)可以用(yòng)來(lái)測量發動機内部燃燒壓力的測量與真空(kōng)度的測量。也(yě)可以用(yòng)于軍事(shì)工(gōng)業，例如用(yòng)它來(lái)測量槍炮子彈在膛中擊發的一瞬間的膛壓的變化和(hé)炮口的沖擊波壓力。它既可以用(yòng)來(lái)測量大(dà)的壓力，也(yě)可以用(yòng)來(lái)測量微小(xiǎo)的壓力。