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1、压力传感器概述压力传感器概述王庆华n一、引言一、引言n二、压力传感器的分类二、压力传感器的分类n 1.1 1.1应变片压力传感器应变片压力传感器 n 1.2 1.2陶瓷压力传感器陶瓷压力传感器 n 1.3 1.3扩散硅压力传感器扩散硅压力传感器 n 1.4 1.4蓝宝石压力传感器蓝宝石压力传感器 n 1.5 1.5压电压力传感器压电压力传感器 n三、各种压力传感器的工作原理三、各种压力传感器的工作原理n 2.1 2.1应变片压力传感器的工作原理应变片压力传感器的工作原理n 2.2 2.2陶瓷压力传感器的工作原理陶瓷压力传感器的工作原理n 2.3 2.3扩散硅压力传感器的工作原理扩散硅压力传感器
2、的工作原理n 2.4 2.4蓝宝石压力传感器的工作原理蓝宝石压力传感器的工作原理n 2.5 2.5压电压力传感器的工作原理压电压力传感器的工作原理n一、引言n 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种自控环境，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。n1、应变片压力传感器 n2、陶瓷压力传感器 n3、扩散硅压力传感器 n4、蓝宝石压力传感器 n5、压电压力传感器n1.1应变片压力传感器n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、
3、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。n在了解压阻式力传感器时，我们首先相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更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。n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更时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生变更，从而使加在电阻上的电压发生变更。这
4、种应变片在受力时产生的阻值变更通常较小，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。n1.2陶瓷压力传感器 n 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-40135，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运用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。n1.3扩散硅压力传感器n扩散硅压力传感器是结合重
5、负荷，温差影响极少的straingauge，预先设定温差补偿的psi/bar压力传感器，供应最志向解决一些困难的油压或气压的传感问题。压力范围有真空至400bar。由于多种不同缘由，压力系统往往出现突然超出正常运用压力，而导致压力传感器损坏，坚实耐用的psi/bar更供应4倍的超压力爱护（1%零位移动），10倍超压的防爆裂爱护及抗振动的影响。n寿命长于100百万次高抵挡震荡实力全不锈钢接触件高平安性，免受RFI、EMI及静电影响不受突变压力影响（如水击、常变泵压及压力的猛动）适合用于温度极差的环境不须要定期调整适合艰难的运用环境，如运输工具或油压系统可用于腐蚀性介质符合高稳定性及长时间运用要求
6、符合CE标准，可用于接近高电压或有无线电影响的环境下性能n1.4蓝宝石压力传感器n 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲惫和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚实，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着特别好的弹性和绝缘特性（1000OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变更不敏感，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，并且牢靠性高、精度好、温度误差微小、性价比高。n
7、1.5压电压力传感器n 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。它具有结构简洁、体积小、重量轻、运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，特殊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更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。n2.1 应变片压力传感器原理n 在了解压阻式力传感器时，我们首先相识一下电阻应变片这种元件。
8、电阻应变片是一种将被测件上的应变变更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。n 金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。n 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更时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生变更，从而使加在电阻上的电压发生变更。n 这种应变片在受力时产生的阻值变更通常较小，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。n金属电阻应变片的内部结构 n 如图1所示
9、，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、绝缘爱护片和引出线等部分组成。依据不同的用途，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留意：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，不同的环境中运用，使应变片的阻值变更太大，输出零点漂移明显，调零电路过于困难。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰实力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。n电阻应变片的工作原理 n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更的现象，俗称为电阻应变效应。n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更，从上式
10、中可很简洁看出，其电阻值即会发生变更，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积削减，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更（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变状况。n2.2 陶瓷压力传感器原理n抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力干脆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，标准的信号依据压力气程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可
11、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070，并可以和绝大多数介质干脆接触。n 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-40135，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运用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。n2.3 扩散硅压力传感器原理工作原理n n 工作原理被测介质的压力干脆作用于传感器的膜片上（不锈钢或
12、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更，和用电子线路检测这一变更，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。n2.4 蓝宝石压力传感器原理与应用 n利用应变电阻式工作原理，接受硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。n蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲惫和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚实，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着特别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，对温度变更不敏感，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
13、本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。n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，并且牢靠性高、精度好、温度误差微小、性价比高。n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实的连接在一起）。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更，变更的幅度与被测压力成正比。n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
14、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。n2.5 压电压力传感器原理n压电传感器中主要运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）是一种自然晶体，压电效应就是在这种晶体中发觉的，在确定的温度范围之内，压电性质始终存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消逝（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变更电场变更微小（也就说压电系数比较低），所以石英渐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，但是它只能在室温顺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，能够承受高温顺相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。n 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。n 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。实际的状况不是这样的，所以这确定了压电传感器只能够测量动态的应力。