压力传感器工作原理 传感器是如何工作的

传感器工作原理
压力传感器是工业实践中较为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍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。但应用较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。电阻应变片应用较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




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

    2 、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。

    3 、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。


原理图

    4 、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。

    5 、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。

    现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌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。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

    实际应用中的电路元件要比理想电阻复杂得多，并且呈现出阻性、容性和感性特性，它们共同决定了阻抗特性。阻抗与电阻的不同主要在于两个方面。首先，阻抗是一种交流(AC)特性；其次，通常在某个特定频率下定义阻抗。如果在不同的频率条件下测量阻抗，会得到不同的阻抗值。通过测量多个频率下的阻抗，才能获取有价值的元件数据。这就是阻抗频谱法(IS)的基础，也是为许多工业、仪器仪表和汽车传感器应用打下基础的基本概念。

电子元件的阻抗可由电阻、电容或电感组成，更一般的情况是三者的组合。可以采用虚阻抗来建立这种模型。电感器具有的阻抗为jωL，电容器具有的阻抗为1/jωC，其中j是虚数单位，ω是信号的角频率。采用复数运算将这些阻抗分量组合起来。阻抗的虚数部分称为电抗，总表达式为Z=R+jX，其中X为电抗，Z表示阻抗。当信号的频率上升时，容抗Xc降低，而感抗XL升高，从而引起总阻抗的变化，阻抗与频率呈函数关系。纯电阻的阻抗不随频率变化。

如何分析阻抗

为了检测元件的阻抗，在以不同的频率对器件进行扫描时，通常需要测量时域或频域的响应信号。测量频域响应信号一般采用模拟信号分析方法，例如交流耦合电桥，但是采用高性能模数转换器(ADC)，允许在时域采集数据，然后再转换到频域。

许多积分变换都可以用于将数据转换到频域，如傅里叶分析。这种方法就是取出信号的一系列时域信号表示，然后应用积分变换将其映射为频谱。采用这种方法可以给出任意两种信号之间关系的数学描述。在阻抗分析中感兴趣的是激励电流(元件的输入)和电压响应(元件的输出)之间的关系。如果系统是线性的，测得的时域电压和电流的各自傅里叶变换的比值就等于其阻抗，并且它可以表示成一个复数。这个复数的实数部分和虚数部分构成随后数据分析的关键部分。

其中，E=系统电压；I=系统电流；t=时域参数

将复数形式转换成极坐标形式便可以得到在特定频率下响应信号的幅度和相位与激励信号的关系。

其中R和X分别表示复数的实部和虚部。上面计算得到的幅度表示该元件在特定频率条件下的复数阻抗。在扫频的情况下，可以计算出每个频率点对应的复数阻抗。

阻抗数据分析

常用的方法是将产生的阻抗与频率的关系曲线作为数据分析的一部分。当频率在给定的范围内扫频时，奈奎斯特(Nyquist)图是在复数平面内以传递函数的实部和虚部为参数的曲线。如果图中的x轴表示实部，y轴表示虚部(注意：y轴取负数)，就可以得到每个频率点的阻抗表示。换句话说就是，曲线上的每个点都代表了某个频率点的阻抗。可以从向量长度|Z|和该向量与x轴之间的夹角?计算出阻抗。图1为电阻器和电容器并联时的典型奈奎斯曲线。

图1：电阻器和电容器并联时的奈奎斯曲线

尽管奈奎斯曲线很常用，但是它不能给出频率信息，所以对于任何特定阻抗，都不可能知道采用的频率值是多少。因此，奈奎斯曲线通常要采用其它曲线来补充。另外一种常用的表示方法就是波特(Bode)图。在波特图中，x轴表示频率的对数，阻抗的幅度绝对值|Z|和相移都用y轴表示。因此波特图同时表示了阻抗与频率和相移与频率的关系。通常将奈奎斯曲线和波特图一起使用来分析传感器元件的传递函数。

基于阻抗特性的传感器

考虑一个基于阻抗特性的传感器，在正常条件下其电容、电感和电阻特性的组合会产生一个特定的阻抗信号。如果传感器周围环境的变化引起上述特性的任何变化，都会造成阻抗的改变。通过测量这种阻抗传感器随频率变化的特性，将会得到一系列新的阻抗特性。

一种相当简单的方法就是将阻抗的测量值和预测值比较以便得出某种结论。这种工作原理的一个实例就是一种采用涡流原理的金属检测传感器。在位于传感器外壳的线圈中产生一个高频交流信号。该线圈产生的电磁场在导电靶中感应出涡流。反过来这个涡流与该传感器线圈相互作用，所以改变了其阻抗。

图2：表示阻抗与频率和相角与频率之间关系的波特图

测量随频率变化的线圈阻抗具有许多好处。因为材料的渗透率会影响线圈的阻抗，所以利用经验阻抗特性可得出一些有关金属类型的结论。采用这种方法还可以允许该阻抗特性传感器检测具有不同渗透率的金属。渗透率变化还可以用于测量金属压力，因为压力变化会改变渗透率，而渗透率的变化又会改变阻抗。波特图和奈奎斯曲线在检查传感器的频率响应方面是很有用的。测量大量频率点的阻抗比测量单个频率点的阻抗得到的结果更为精确，因为这有助于去除噪声。还可以通过在某些特定条件下测量电容分量和电感分量的频率响应确定较佳的工作频率点。

将阻抗的测量值和其理想值相比较的方法可适用于许多基于阻抗特性能引起电阻、电容或电感变化原理的传感器技术。常见的应用范围包括从采用化学传感器的气体检测、基于电容特性的湿度传感器、游戏或食品业中的金属硬币或颗粒特征识别，到农业中的土壤监测。

阻抗分析不仅仅包含简单地将阻抗响应特性与其理想特性相比较。阻抗频谱法(IS)通常用于表征系统以及获取有关系统的有价值信息。本文的目的是将系统从总体上定义为一个元件或者与电极有电接触的材料。这种接触可以是固体与固体(在许多化学传感器的情况下)或者固体与液体(当测量液体中某种成分的浓度时)之间的界面。采用IS可以得到有关元件本身和元件与电极之间界面的信息。

IS的原理利用这样的事实：如果给界面施加很小的电位，它就会极化。界面极化的方式与当施加电位反转时极化改变的速度相结合，可以表征界面的特性。对于系统界面，例如吸附和反应速率常数、扩散系数和电容等信息都可以得到。对于元件本身，有关其介电常数、电导率、电荷均衡迁移率、各成分浓度以及大量生成率和复合率等信息都可以估计出来。

系统或元件的等效电路模型是分析阻抗扫描所产生数据的基础。这种模型通常是所连接的电阻器、电容器和电感器的组合，以便模拟该系统的电特性。我们要找的模型要求在不同频率下其阻抗要与测得的阻抗特性相匹配。在理想情况下，模型的元件和互连方式的选择要用来表示特定的电化学特性，而且要符合该过程的物理特性。可以采用文献中已有的模型，也可以根据经验建立一种新模型。

在根据经验建立模型的情况下，要在经验模型和测量数据之间找到较佳匹配。因为模型中的元件不一定总是符合电化学工艺的物理特性，所以可以单独构建模型以便得到较佳匹配。通过逐步增大或减小元件的阻抗直至得到较佳匹配，便可以建立起经验模型。通常根据非线性最小二乘法拟合(NLLS)原理来完成建模。借助于计算机，利用NLLS算法先初步估计模型参数，然后逐步改变每个模型参数，并评估产生的拟合结果。采用软件迭代处理直至找到可以接受的较佳拟合结果。

图3. 用于腐蚀分析的常用等效电路

数据分析和等效电路模型都应当非常小心的对待，而且要进行尽可能多的模型验证。虽然通过增加元件几乎总可以建立一个非常合适的模型，但是这样并不能认为它就代表了系统的电化学工艺。一般说来，经验模型应该采用尽可能少的元件，而且应当尽可能采用基于系统电化学工艺理论基础的物理模型。

另外，通常可以建立具有相同阻抗特性的许多不同的经验模型。虽然可能得到一个很好的最小二乘法匹配模型，但仍然有可能得到不能代表该物理系统的不恰当模型。还有可能NLLS拟合算法对测量特性有部分遗漏或者没有收敛。这是因为很多算法都试图在整个频谱范围内优化拟合曲线，所以有可能漏掉了频谱中某些特定频率点上不好的拟合数据。

腐蚀分析是采用IS法表征系统特性的常见应用，也是一个很好的实例。金属的腐蚀(例如铝和钢)是许多行业中的重大安全考虑因素。如果不重视的话，它会导致金属寿命过早结束。自动监视腐蚀的能力能显著节省成本，具有安全和可靠性优势，而且有助于较佳化预防性地维护系统。

除了确定腐蚀的程度，通过监测腐蚀的速率还有可能预测金属疲劳。产生金属疲劳后，在小裂缝出现的地方会从有弹性变为没有弹性。这些裂缝是新的，但是腐蚀速率相当地快，而且裂纹扩展的速率以及随后的腐蚀代表了金属疲劳的程度。早期鉴定腐蚀的方法，特别是在很难达到且无法看到的位置，可以防止或者减慢严重腐蚀的破坏。它还可以用于帮助在现实条件下鉴定不同的保护涂层。

下面是根据物理学知识和腐蚀期间发生的电化学工艺过程建立的一种腐蚀过程等效电路模型。常用于腐蚀监视的等效电路用一个电阻器(Rp)和电容器(Cp)相并联再与一个电阻器Rs相串联表示。

在模型A中电阻器Rs表示金属所在的溶液，而电容Cc表示金属表面的保护涂层或涂料，这表示初始涂层的电容。经过一段时间后，水渗入涂层中形成新的液体和金属界面。随着金属的腐蚀，通过溶液与金属之间的保护涂层形成离子导电路径。这可以用Rx与Cc并联模型来表示。另外，有些模型(模型B)还有一个附加的R和C并联起来再与Rx串联的电路来表示金属保护涂层随着时间变化的分层模型。

金属所在的溶液的电阻率或电导率通常是已知的或者很容易获得，所以可以得到Rs。还可以得到Cp的值，因为可以由保护涂层的介电常数(通常由厂商提供)及其覆盖的面积计算得到。然后就是求解RX以便确定腐蚀的程度。通常通过曲线拟合算法得到测量阻抗特性数据的较佳拟合来解决这个问题。波特图也是很常用的方法，它根据其阻抗频率响应和相位频率响应来检测腐蚀传感器的特性。

IS法不仅仅限于腐蚀分析，还可以用于表征多种电化学系统。例如，它可以用于优化燃料电池性能，预测电池健康状况，检查液体中某种成分的浓度以便确定其质量，还可以表征某种材料的电化学性能。

优化电路设计

等效电路模型一旦确定，就必须设计电子数据采集系统来完成频率扫描和获取数据。这通常是一项既复杂又费时的工作，需要不可或缺的电子学知识以便优化电路设计。

设计的电路必须能在有用的范围内以要求的分辨率产生频率扫描。在许多电化学系统中必须避免采集到的数据受到电化学工艺本身的干扰。所以通常采用小的AC信号，并且还很重要的一点就是不能在系统中引入DC电位差，因为它会导致进一步的电化学反应。然后必须用ADC采集系统对激励频率的响应。在有些设计中需要两个ADC分别用于捕获激励信号和响应信号。这是很复杂的，因为需要两个ADC同步采样以便检测出信号之间的相位变化。

AD5933就是一种典型的集成电路芯片，它提供可编程频率扫描发生器和集成的ADC，该ADC可以与激励频率一起工作来获取响应信号。另外，整个系统必须保持线性。换句话说就是系统的总带宽必须足够而且信号大小也要足够才能得到好的测量结果，但是信号又不能太大以至于超过ADC或其它元件的量程而引起失真。因为待测元件阻抗范围通常未知，所以通常最开始需要做一些反复试验来优化系统并且确保它的线性特性。将响应信号转换为数字形式后，通常将数字信号送入计算机进行下一步的分析。

较新的解决方案，例如AD5933，在送给计算机进行处理之前提取了响应信号的实部和虚部，在芯片内完成了大量的分析。这样大大减轻了计算机的运算负担，并且提高了数据采集的质量，因为模拟信号处理电路经过优化与其它的功能模块配合工作。应当特别注意的是，在使整个系统保持线性的同时，模拟信号的测量结果要经过验证，否则尽管计算机能轻易提供4位或高于4位的精度，最终结果还是会有偏差。精心的系统设计和验证以获得有效的测量是提高最终结果精度的关键。

我们都知道拉力试验机线位开关作用是可以避免拉力机的误操作，引起的设备上的测力传感器的损坏。在进行试验之前，必须检查拉力试验机的安全限位开关是否起作用。对于拉力试验机，在试验前应设置好载荷的上限，以避免过载造成测力传感器的损坏。

拉力试验机随机配备的限位开关一般安装在主机左侧后方，作为安全措施，具有过流、过压、过载等多种保护功能。一般限位开关具有双重保护，发生故障的几率很低。可是如果限位开关失灵（例如长期暴露在外，受风雨侵蚀，因缺油生锈，无法转动或者其他各种原因），试验机本身会产生那些现象呢？

现象一：引起过载

　　过载指传感器超过较大容许范围，产生一系列不良反应。如：

　　1.负荷传感器损坏。

　　2.负荷传感器接线断开。

　　3.试验力大于满量程。

　　4.撞坏传感器。

　　5.撞弯横梁

　　现象二：机器上升、下降不动作

　　做试验时，点击微机控制上升、下降按钮时，机器停止不动，上升、下降按钮失灵。