压力传感器原理与应用

一、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            
电阻应变片由基体材料、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：  ρ  ——金属导体的电阻率（  Ω  ·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况。            

二、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  0  ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。            
     陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。  陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达  -40  ～  135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度  >2kV  ，输出信号  强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展  方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多  的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。            

三、扩散硅压力传感器原理及应用            
工作原理            
被测介质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。            

四、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（  1000 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。            
     表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接  收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛  合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间  用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，  该形变被硅  -  蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度  与被测压力成正比。                 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信  号转换为统一的电信号输出（  0-5  ，  4-20mA  或  0-5V  ）。在绝压压力传感器
  和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性  元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。            

五、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。 

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