压力传感器工作原理 传感器是如何工作的

    压力传感器工作原理
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

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。

　　压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

人体具有压觉，人体皮肤深层结构内存在大量压力感受器。当机械刺激导致皮肤变形时，会引起感受器及神经末梢变形，压力感受器进入兴奋状态，引起神经末梢发出神经冲动，传入大脑皮层感觉区产生压觉。

机器的压觉来自各种压力传感器(Pressure Transducer)。压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的电信号的器件或装置，通常由基于不同物理效应的压力敏感元件和信号处理单元组成。下面介绍几种常见的压力传感器。

1. 基于金属电阻应变效应的压力传感器，我们知道，金属导体的电阻值R与电阻率ρ和导体长度L成正比，与截面积S成反比。当金属导体受力而产生拉伸或压缩等机械变形时，L和S都会发生改变，从而引起电阻值发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。从图中可以看出，当金属导体受到拉力F作用时产生了拉伸变形，长度由L变为L+ΔL，面积由S缩小到S’，从而导致该导体电阻值增大。

利用金属的电阻应变效应可以制作压力传感器的感压元件——金属电阻应变片，常用的有金属丝式和金属箔式两种类型。下面的图给出一种金属丝电阻应变片的基本结构，由电阻丝式敏感栅、基底、覆盖层和引线四部分构成。电阻应变式压力传感器的工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，甚至烧毁应变片。金属箔敏感珊与基底的接触面积比金属丝大，因此散热条件好，工作电流可取得更大一些。

2. 基于压阻效应的压力传感器，1954年美国材料学家C.S 史密斯在对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试时发现，当受到外力作用时电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。利用半导体的压阻效应制作的压力传感器的感压元件称为半导体电阻应变片，其灵敏系数比金属电阻应变片大几十倍，且机械滞后小，但温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

在我们的日常生活中，随处可以发现压阻材料的应用。例如，一种称为压敏导电橡胶的压阻材料，在不受力时如同绝缘体，但施压时其电阻随着压力的增加而变小。利于这个特点，可以制作各种压控开关。无压力时压敏导电橡胶是绝缘体，如同开关断开；当压力达到某阈值时，其电阻大大降低，压敏导电橡胶转变为导体，如同开关接通。

金属的电阻应变效应与半导体的压阻效应都表现为感压元件的电阻随外力的变化而改变，两者的区别是：前者的电阻变化是截面和长度等结构尺寸变化所致，而后者的电阻变化是电阻率变化所致。

3. 基于压电效应的压力传感器，1880年，两位年轻的法国科学家兄弟皮埃尔·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克·居里（Jacques Curie）发现晶体具有一个特殊性质：当沿一定方向对满足一定对称性的晶体材料施加外力时，晶体材料会发生形状改变，同时其两个相对的表面上会出现正负相反的电荷，电荷量与受力大小成正比；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变；当外力撤掉后，它又会恢复不带电状态。这个性质称为晶体的压电效应。

晶体是否具有压电效应，是由晶体结构的对称性所决定的。以石英晶体为例，从下图以看出，当没有外力作用时，石英晶体的结构对称性使其内部正负电荷的作用相互抵消，对外呈不带电状态。当在外力的作用下发生形状改变时，其结构对称性发生改变，内部正负电荷的作用不再相互抵消，出现了电极化，对外呈现带电状态。

利用压电效应可以制作压电传感器。常用的压电材料有压电陶瓷、压电晶体、压电复合材料等，其应用遍及我们日常生活和高新技术领域的方方面面。例如，打火机、煤气灶、热水器、汽车等的点火要用到压电点火器，雷达、通信和导航设备中需要大量压电陶瓷滤波器，医学领域利用压电材料进行免疫检测、制作人工耳蜗等。

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