壓力傳感器是zui在工業(yè)實(shí)踐中常用的一種傳感器。它廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自動(dòng)控制環(huán)境，涉及水利水電、鐵路運(yùn)輸、智能建筑、生產(chǎn)自動(dòng)控制、航空航天、軍工、石油化工、油井、電力、船舶、機(jī)床、管道等諸多行業(yè)。下面簡(jiǎn)要介紹一些常用的傳感器原理及其應(yīng)用。

1.應(yīng)變式壓力傳感器的原理及應(yīng)用

有許多種機(jī)械傳感器，例如電阻應(yīng)變計(jì)壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)壓力傳感器、壓阻壓力傳感器、電感壓力傳感器、電容壓力傳感器、諧振壓力傳感器和電容加速度傳感器。然而，zui被廣泛用作壓阻式壓力傳感器，具有極低的價(jià)格、高精度和良好的線性特性。下面我們主要介紹這種傳感器。

為了給電阻式力傳感器減壓，我們首先識(shí)別電阻應(yīng)變儀的元件。電阻應(yīng)變計(jì)是一種靈敏的裝置，它將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要部件之一。電阻應(yīng)變片主要由金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片組成。金屬電阻應(yīng)變片包括金屬絲應(yīng)變片和金屬箔應(yīng)變片。通常，應(yīng)變儀通過(guò)特殊的粘合劑緊緊地粘合在產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變的基體上。當(dāng)基體的應(yīng)力改變時(shí)，電阻應(yīng)變儀也會(huì)一起變形，從而改變應(yīng)變儀的電阻值，從而改變施加到電阻上的電壓。應(yīng)力作用下應(yīng)變儀產(chǎn)生的電阻值變化通常很小。通常，應(yīng)變儀形成應(yīng)變橋，該應(yīng)變橋由隨后的儀表放大器放大，然后傳輸?shù)教幚黼娐?通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換和中央處理器)顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

金屬電阻應(yīng)變儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變片或應(yīng)變片、絕緣保護(hù)片和引出線組成。根據(jù)不同的用途，電阻應(yīng)變片的電阻值可以由設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)，但電阻值的取值范圍要注意:電阻值太小，所需的驅(qū)動(dòng)電流太大，同時(shí)，應(yīng)變片的發(fā)熱導(dǎo)致應(yīng)變片溫度過(guò)高，在不同的環(huán)境中使用會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻值變化過(guò)大，輸出零點(diǎn)漂移明顯，調(diào)零電路過(guò)于復(fù)雜。然而，電阻太大，阻抗太高，抵抗外部電磁干擾的能力差。一般來(lái)說(shuō)，從幾萬(wàn)歐元到幾萬(wàn)歐元不等。

電阻應(yīng)變儀的工作原理

金屬電阻應(yīng)變儀的工作原理是吸附在基材上的應(yīng)變電阻隨機(jī)械變形而變化，俗稱電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導(dǎo)體的電阻值可由以下公式表示:

其中:& rho& mdash& mdash電阻率(&ω；& middotcm2/m)

S & mdash& mdash導(dǎo)體的橫截面積(cm2)

讓我們以導(dǎo)線應(yīng)變電阻為例。當(dāng)金屬絲受到外力時(shí)，它的長(zhǎng)度和橫截面積將會(huì)改變。從上面的公式可以很容易地看出，它的電阻值會(huì)發(fā)生變化。如果導(dǎo)線被外力拉伸，其長(zhǎng)度將增加，而橫截面積將減小，電阻值將增加。當(dāng)導(dǎo)線被外力壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小，橫截面增大，電阻值減小。只要測(cè)量電阻的變化(通常是電阻兩端的電壓)，就可以獲得應(yīng)變導(dǎo)線的應(yīng)變。

2.陶瓷壓力傳感器的原理及應(yīng)用

耐腐蝕陶瓷壓力傳感器無(wú)液體傳輸。壓力直接作用在陶瓷隔膜的前表面，導(dǎo)致隔膜輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，并連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓阻的壓阻效應(yīng)，電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比、與激勵(lì)電壓成正比的高線性電壓信號(hào)。根據(jù)不同的壓力范圍等，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被校準(zhǔn)為2.0/3.0/3.3毫伏/伏。它與應(yīng)變傳感器兼容。通過(guò)激光校準(zhǔn)，傳感器具有較高的溫度穩(wěn)定性和時(shí)間穩(wěn)定性。該傳感器具有自身0 ~ 70℃的溫度補(bǔ)償，可直接與大多數(shù)介質(zhì)接觸。

陶瓷是公認(rèn)的具有高彈性、耐腐蝕性、耐磨性、抗沖擊性和抗振動(dòng)性的材料。陶瓷及其厚膜電阻的熱穩(wěn)定性使其工作溫度范圍高達(dá)-40 ~ 135℃，測(cè)量精度和穩(wěn)定性高。電絕緣度< 2kV，輸出信號(hào)強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。高性能低價(jià)格陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發(fā)展方向。歐洲和美國(guó)有取代其他類型傳感器的趨勢(shì)。在中國(guó)，越來(lái)越多的用戶使用陶瓷傳感器來(lái)代替擴(kuò)散硅壓力傳感器。

3.擴(kuò)散硅壓力傳感器的原理及應(yīng)用

工作原理

待測(cè)介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器(不銹鋼或陶瓷)的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成比例的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，用電子線檢測(cè)這種變化，并轉(zhuǎn)換和輸出對(duì)應(yīng)于該壓力的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量信號(hào)。

4.藍(lán)寶石壓力傳感器的原理及應(yīng)用

基于應(yīng)變電阻原理，硅藍(lán)寶石被用作具有計(jì)量特性的半導(dǎo)體敏感元件。

藍(lán)寶石由單晶絕緣體元件組成，不會(huì)引起遲滯、疲勞和蠕變。藍(lán)寶石比硅更強(qiáng)，硬度更高，不怕變形。藍(lán)寶石具有非常好的彈性和絕緣特性(低于1000℃)。因此，由硅藍(lán)寶石制成的半導(dǎo)體敏感元件對(duì)溫度變化不敏感，并且即使在高溫條件下也具有良好的工作特性。藍(lán)寶石具有極強(qiáng)的抗輻射能力。此外，硅藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件沒(méi)有p-n漂移，從根本上簡(jiǎn)化了制造工藝，提高了重復(fù)性，保證了高成品率。

硅藍(lán)寶石半導(dǎo)體敏感元件制成的壓力傳感器和變送器可在較惡劣的工作條件下正常工作，具有高可靠性、高精度、較小溫度誤差和高性價(jià)比。

表壓傳感器和變送器由兩個(gè)膜片組成:鈦合金測(cè)量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質(zhì)外延應(yīng)變靈敏電橋電路的藍(lán)寶石片焊接在鈦合金測(cè)量膜片上。測(cè)量的壓力被傳輸?shù)浇邮漳て?接收膜片和測(cè)量膜片通過(guò)拉桿牢固地連接在一起)。鈦合金接收膜片在壓力作用下變形。硅藍(lán)寶石敏感元件檢測(cè)到變形后，其電橋輸出將發(fā)生變化，變化幅度與測(cè)量壓力成正比。

傳感器電路可以保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的不平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的電信號(hào)輸出(0-5、4-20mA或0-5V)。在絕對(duì)壓力傳感器和變送器中，藍(lán)寶石片與陶瓷基玻璃焊料連接，作為彈性元件將測(cè)量的壓力轉(zhuǎn)換成應(yīng)變儀變形，從而達(dá)到壓力測(cè)量的目的。

5.壓電壓力傳感器的原理及應(yīng)用

主要用于壓電傳感器的壓電材料包括應(yīng)時(shí)、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫鈉。其中，應(yīng)時(shí)(二氧化硅)是發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)的天然晶體。在一定的溫度范圍內(nèi)，壓電特性總是存在的，但是當(dāng)溫度超過(guò)這個(gè)范圍后，壓電特性就完全消失了(這個(gè)高溫稱為& ldquo居里點(diǎn)。).由于電場(chǎng)隨著應(yīng)力的變化略有變化(即壓電系數(shù)相對(duì)較低)，應(yīng)時(shí)逐漸被其他壓電晶體取代。酒石酸鉀鈉具有很高的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但只能應(yīng)用于室溫和濕度較低的環(huán)境中。磷酸二氫胺是一種能夠耐高溫高濕的人造晶體，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用于多晶體，如目前的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、壓電陶瓷、鈮酸鹽壓電陶瓷、鈮酸鉛鎂壓電陶瓷等。

壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)槭┘油饬蟮碾姾芍荒茉诨芈肪哂袩o(wú)限輸入阻抗時(shí)存儲(chǔ)。實(shí)際情況并非如此，因此它決定壓電傳感器只能測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)力。

壓電傳感器主要用于加速度、壓力和力的測(cè)量。壓電加速度計(jì)是一種常見的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。壓電加速度傳感器已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑物的振動(dòng)和沖擊測(cè)量，尤其是航空和航天領(lǐng)域。壓電傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)燃?jí)毫驼婵铡Ｋ部捎糜谲娛鹿I(yè)，例如，它可用于測(cè)量膛內(nèi)點(diǎn)火時(shí)膛內(nèi)壓力的變化和炮口處的沖擊波壓力。它可以用來(lái)測(cè)量大壓力和小壓力。

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