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四種壓力傳感器的基本工作原理和特點:電阻應變傳感器11。電阻應變傳感器定義被測動態壓力作用在彈性敏感元件上，使其變形，在變形部分貼上電阻應變片，電阻應變片感知動態壓力的變化。根據這一原理設計的傳感器稱為電阻應變壓力傳感器。1.2電阻應變傳感器的工作原理附著在電阻應變傳感器上的金屬電阻應變片主要有金屬絲應變片和箔片應變片。箔式應變片由厚度為0.002—0.008毫米、寬度為0.003—0.008毫米的金屬箔制成..金屬絲應變片由高電阻系數的電阻絲(直徑0.015 - 0.05mm)平行(一般2-40根)呈網格狀排列而成，電阻值為60-200？, 平時120？，牢固地附著在一張薄紙上，電阻紙的兩端焊上引線，表面覆蓋一層薄紙，即制成紙基電阻絲應變片。測量時，將金屬電阻應變片用專用膠粘貼在待測彈性敏感元件表面。當彈性敏感元件隨著動態壓力變形時，電阻應變片也變形。如下圖所示。b是柵極寬度，l是基極長度。材料的電阻變化率由下式確定:(1)式中；從材料力學的知識；(2)公式中，k在一定范圍內為常數，微分dR和dL改寫為增量δ r和δ l，(3)由公式(2)可知，當彈性傳感元件受到動壓力時， 會產生相應的變形ε，變形值可以用金屬絲應變片或箔片應變片來測量，從而得到δ r的變化和動態壓力的變壓傳感器的工作原理。

一個

應變式壓力傳感器原理

機械傳感器有很多種，如電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電容式加速度傳感器等。

電阻應變片是一種將被測零件上的應變變化轉換成電信號的敏感器件。金屬電阻應變計和半導體應變計被廣泛使用。通常，應變儀通過一種特殊的粘合劑與產生機械應變的基板緊密結合。當襯底的應力改變時，應變儀的電阻改變，從而施加到電阻器的電壓改變。一般這種應變片形成一個應變電橋，經后續的儀表放大器放大后，再傳輸到處理電路(通常是A/D)

轉換和CPU

)顯示器或致動器。

二

陶瓷壓力傳感器原理

陶瓷壓力傳感器

壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，引起膜片的輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓敏電阻的壓阻效應，電橋產生與壓力成比例的電壓信號。

三

擴散硅壓力傳感器原理

工作原理:被測介質的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，從而改變傳感器的電阻值。

該變化由電子電路檢測，并且對應于該壓力的標準測量信號被轉換并輸出。

四

藍寶石壓力傳感器

基于應變電阻的工作原理，硅-

藍寶石作為半導體敏感元件，具有良好的計量特性。

五

壓電壓力傳感器原理

壓電傳感器中使用的主要壓電材料包括應時、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫。其中，應時(二氧化硅)是一種天然晶體，在這種晶體中發現了壓電效應。在一定的溫度范圍內，壓電性能一直存在，但溫度超過這個范圍后，壓電性能完全消失(這個高溫稱為

居里點)。由于電場隨應力的變化而略有變化(也就是說壓電系數相對較低)，應時逐漸被其他壓電晶體所取代。一、壓電壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(壓電性

效應)，利用電器元件和其他機械將被測壓力轉換成電能，進而進行相關測量工作的精密測量儀器，如許多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不能用于靜態測量，因為外力作用下的電荷只有在回路具有無限大輸入阻抗時才能保存下來。但其實不是這樣的。因此，壓電傳感器只能用于動態測量。其主要壓電材料有:磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和應時。應時發現壓電效應。

當應力變化時，電場變化很小，一些其他壓電晶體將取代應時。酒石酸鉀鈉具有很大的壓電系數和壓電敏感性，只能在濕度和溫度較低的室內場所使用。磷酸二氫胺是一種人工晶體，可以在高濕高溫環境下使用，所以應用非常廣泛。隨著技術的發展，壓電效應也被應用到多晶硅上。例如壓電陶瓷、鈮酸鎂壓電陶瓷、鈮酸鹽壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷都包括在內。

基于壓電效應的傳感器有機電轉換傳感器和自發電傳感器。其敏感元件由壓電材料制成，當壓電材料受到外力作用時，其表面會形成電荷，經電荷放大器、測量電路、阻抗變換放大后，轉換成與外力成正比的電輸出。用于測量力和可以轉化為力的非電物理量，如:

加速度和壓力。它具有重量輕、工作可靠、結構簡單、高信噪比、高靈敏度和信號帶寬等優點。但它也有一些缺點:有些電壓材料是防潮的，需要采取一系列防潮措施，輸出電流的響應較差，需要使用電荷放大器或高輸入阻抗電路來彌補這一缺點，使儀器更好地工作。

二、壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器主要是基于壓阻效應。

效果)。壓阻效應用于描述材料在機械應力下的電阻變化。與上述壓電效應不同，壓阻效應只產生阻抗變化，不產生電荷。

大多數金屬材料和半導體材料都具有壓阻效應。其中，半導體材料中的壓阻效應遠大于金屬。由于硅是集成電路的主要成分，硅壓阻元件的應用變得非常有意義。電阻的變化不僅來自于與應力有關的幾何變形，還來自于材料本身與應力有關的電阻，這使得它的度因子比金屬大幾百倍。N型硅的電阻變化主要是由于其三個導帶谷對的位移，引起載流子在不同遷移率的導帶谷之間重新分布，進而改變電子在不同流向的遷移率。其次，它來自于與導帶谷形狀變化相關的有效質量。

質量)的變化。在p型硅中，這種現象變得更加復雜，還會導致等效質量和空穴轉換的變化。

壓阻壓力傳感器通常通過導線連接到惠斯通電橋。通常情況下，敏感芯上沒有外界壓力，電橋處于平衡狀態(稱為零位)。當按下傳感器后芯片電阻發生變化時，電橋將失去平衡。如果在電橋上加一個恒流或恒壓電源，電橋會輸出一個與壓力對應的電壓信號，使傳感器的電阻變化通過電橋轉換成壓力信號。電橋檢測電阻的變化，經放大后，通過電壓-電流轉換，轉換成相應的電流信號，經非線性校正回路補償，即產生輸入電壓為線性的4 ~ 20 mA的標準輸出信號。

為了減小溫度變化對磁芯電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器都采用了溫度補償措施，使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩定性等技術指標保持在較高水平。

3.電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器是一種利用電容作為敏感元件，將被測壓力轉換成電容變化的壓力傳感器。這種壓力傳感器通常使用圓形金屬膜或金屬鍍膜作為電容器的電極。當薄膜受到壓力變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容發生變化，通過測量電路可以輸出與電壓有一定關系的電信號。電容式壓力傳感器屬于變極距電容式傳感器，分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。

單個電容式壓力傳感器由一個圓形膜片和一個固定電極組成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量。其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比，與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種固定電極是凹球面，振膜是周邊固定的張力平面。隔膜可以由鍍塑料的金屬層制成。這種類型適用于測量低壓，過載能力高。用于測量高壓的單個電容式壓力傳感器也可以由帶有活塞移動極的膜片制成。這種類型可以減少隔膜的直接壓縮面積， 以便通過使用更薄的隔膜來提高靈敏度。還集成了各種補償保護部門和放大電路，提高抗干擾能力。這種傳感器適用于測量動態高壓和遙測飛機。單電容式壓力傳感器還包括麥克風型(即麥克風型)和聽診器型。

差動電容式壓力傳感器的壓力膜片電極位于兩個固定電極之間，形成兩個電容。在壓力的作用下，一個電容的容量增大，另一個電容的容量相應減小，測量結果由差分電路輸出。它的固定電極是在凹面玻璃表面鍍一層金屬制成的。過載時，隔膜受到凹面的保護，不會破裂。差動電容式壓力傳感器比單一電容式壓力傳感器具有更高的靈敏度和更好的線性度，但加工難度大(特別是要保證對稱性)，不能隔離待測氣體或液體，因此不適合在腐蝕性或雜質流體中工作。

第四，電磁壓力傳感器

各種利用電磁原理的傳感器統稱，主要包括電感式壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、渦流壓力傳感器等。

感應壓力傳感器

電感式壓力傳感器的工作原理是當壓力作用在膜片上時，氣隙的大小發生變化，氣隙的變化影響線圈電感的變化。處理電路可以將電感的變化轉換成相應的信號輸出，從而達到測量壓力的目的。這種壓力傳感器根據磁路的變化可分為變磁阻式和變磁導率式兩種。電感式壓力傳感器的優點是靈敏度高，量程大。缺點是不能應用于高頻動態環境。

變磁阻壓力傳感器的主要部件是鐵芯和膜片。它們之間的氣隙形成磁路。當有壓力時，氣隙的大小發生變化，即磁阻發生變化。如果給鐵芯線圈施加一定的電壓，電流會隨著氣隙的變化而變化，從而測得壓力。

在高磁通密度的情況下，鐵磁材料的磁導率是不穩定的，在這種情況下，可變磁導率壓力傳感器可以用來測量?？勺兇艑蕢毫鞲衅魇褂每梢苿拥拇判栽泶骅F芯。壓力的變化導致磁性元件的運動，從而磁導率發生變化，得到壓力值。

霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器是基于一些半導體材料的霍爾效應?；魻栃侵笇⒐腆w導體置于磁場中，有電流通過時，導體中的電載流子被洛倫茲力偏壓向一側，進而產生電壓(霍爾電壓)的現象。電壓引起的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可以確認導體中的電流是由帶負電的粒子(自由電子)的運動引起的。

當對導體施加垂直于電流方向的磁場時，導體中的電子會被洛倫茲力聚集，從而產生電子聚集方向的電場。這個電場會使后面的電子受到電功率，以平衡磁場引起的洛倫茲力，使后面的電子能夠順利通過，不會發生偏移，這就是所謂的霍爾效應。產生的內置電壓稱為霍爾電壓。

當磁場為交變磁場時，霍爾電動勢也是同頻率的交變電動勢，霍爾電動勢建立的時間極短，因此其響應頻率高。理想霍爾元件的材料需要高電阻率和載流子遷移率，以獲得大的霍爾電動勢。常用的霍爾元件材料多為半導體，包括N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs和多層半導體結構材料。n型硅具有良好的霍爾系數、溫度穩定性和線性度，砷化鎵溫漂小，所以目前使用。

渦流壓力傳感器

基于渦流效應的壓力傳感器。渦流效應是由運動磁場與金屬導體相交，或運動金屬導體與磁場垂直相交而產生的。簡而言之，就是電磁感應效應造成的。這個動作在導體中產生電流。

渦流特性使得渦流檢測具有零頻響，因此渦流壓力傳感器可用于檢測靜態力。

v型振弦壓力傳感器

振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器，這種頻率測量具有較高的精度，因為時間和頻率是可以精確測量的物理參數，頻率信號在傳輸過程中可以忽略電纜電阻、電感、電容等因素的影響。同時，振弦式壓力傳感器還具有抗干擾能力強、零點漂移小、溫度特性好、結構簡單、分辨率高、性能穩定、數據傳輸、處理和存儲方便、易于實現儀器數字化等特點，因此振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術的發展方向之一。

振弦式壓力傳感器的敏感元件是一根張緊的鋼弦，敏感元件的固有頻率與張緊力有關。弦的長度是固定的，弦振動頻率的變化可以用來測量張力，即輸入是力信號，輸出是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為兩部分，下半部分主要是敏感元件的組合。上部組件為鋁殼，內含電子模塊和接線端子，分為兩個小房間，接線時不會影響電子模塊室的密封性能。

振弦式壓力傳感器可選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦壓力傳感器處于工作模式，振弦以其共振頻率連續振動。當被測壓力發生變化時，頻率也會發生變化，這個頻率信號可以通過轉換器轉換成4~20mA的電流信號。

常見壓力傳感器的工作原理

1.壓阻式力傳感器:電阻應變片是壓阻式應變傳感器的主要元件之一。金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基材上的應變電阻隨機械變形而變化的現象，俗稱電阻應變效應。

2.陶瓷壓力傳感器:陶瓷壓力傳感器是基于壓阻效應，壓力直接作用在陶瓷膜片的正面，使膜片產生輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接形成惠斯通電橋。由于壓阻電阻器的壓阻效應，電橋產生與壓力以及激勵電壓成比例的高度線性的電壓信號。標準信號根據不同的壓力范圍校準為2.0/3.0/3.3mv/。

3.擴散硅壓力傳感器:擴散硅壓力傳感器的工作原理也是基于壓阻效應。利用壓阻效應原理，被測介質的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化。該變化由電子電路檢測，并且對應于該壓力的標準測量信號被轉換并輸出。

4.藍寶石壓力傳感器:基于應變電阻的工作原理，采用硅藍寶石作為半導體敏感元件，具有測量特性。

做愛。因此，由硅-藍寶石制成的半導體傳感器對溫度變化不敏感，即使在高溫下也具有良好的工作特性。藍寶石抗輻射能力強；此外，硅-藍寶石半導體傳感器沒有p-n漂移。

5.壓電式壓力傳感器:壓電效應是壓電式傳感器的主要工作原理。壓電傳感器不能用于靜態測量，因為只有當回路具有無窮大的輸入阻抗時，外力作用后的電荷才得以保留。實際情況并非如此，因此決定了壓電傳感器只能測量動態應力。壓力傳感器的工作原理

一個

應變式壓力傳感器原理

機械傳感器有很多種，如電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電容式加速度傳感器等。

電阻應變片是一種將被測零件上的應變變化轉換成電信號的敏感器件。金屬電阻應變計和半導體應變計被廣泛使用。通常，應變儀通過一種特殊的粘合劑與產生機械應變的基板緊密結合。當襯底的應力改變時，應變儀的電阻改變，從而施加到電阻器的電壓改變。一般這種應變片形成一個應變電橋，經后續的儀表放大器放大后，再傳輸到處理電路(通常是A/D)

轉換和CPU

)顯示器或致動器。

二

陶瓷壓力傳感器原理

陶瓷壓力傳感器

壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，引起膜片的輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓敏電阻的壓阻效應，電橋產生與壓力成比例的電壓信號。

三

擴散硅壓力傳感器原理

工作原理:被測介質的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，從而改變傳感器的電阻值。

該變化由電子電路檢測，并且對應于該壓力的標準測量信號被轉換并輸出。

四

藍寶石壓力傳感器

基于應變電阻的工作原理，硅-

藍寶石作為半導體敏感元件，具有良好的計量特性。

五

壓電壓力傳感器原理

壓電傳感器中使用的主要壓電材料包括應時、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫。其中，應時(二氧化硅)是一種天然晶體，在這種晶體中發現了壓電效應。在一定的溫度范圍內，壓電性能一直存在，但溫度超過這個范圍后，壓電性能完全消失(這個高溫稱為

居里點)。由于電場隨應力的變化而略有變化(也就是說壓電系數相對較低)，應時逐漸被其他壓電晶體所取代。