压力传感器工作原理图解.doc

压力传感器工作原理图解随着自动化技术的进步，在工业设备中，除了液柱式 压力计、弹性式压力表外，目前更多的是釆用可将压力转换 成电信号的压力变送器和传感器那么这些压力变送器和传 感器是如何将压力信号转换为电信号的呢？不同的转换方 式又有什么特点呢？今天电工学习网小编为大家汇总了目 前常见的几种压的测量原理，希望能对大家有所帮助一、压电压力传感器压电式压力传感器主要基于压电效应(Piezoelectric effect),利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电 量，再进行相关测量工作的测量精密仪器，比如很多压力变 送器和压力传感器压电传感器不可以应用在静态的测量当 中，原因是受到外力作用后的电荷，当回路有无限大的输入 抗阻的时候，才可以得以保存下来但是实际上并不是这样 的因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中它主要 的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英压电效应 就是在石英上发现的其他的一些压电晶体就会替代石英酒石酸钾钠，它是具有很大 的压电系数和压电灵敏度的，但是，它只可以使用在室内的 湿度和温度都比较低的地方磷酸二氢胺是一种人造晶体， 它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它 的应用是非常广泛的。

随着技术的发展，压电效应也已经在 多晶体上得到应用了例如：压电陶瓷，锭镁酸压电陶瓷、 規酸盐系压电陶瓷和钛酸顿压电陶瓷等等都包括在内以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自 发电式传感器它的敏感元件是用压电的材料制作而成的， 而当压电材料受到外力作用的时候，它的表面会形成电荷， 电荷会通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以 后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关系的电量输 出它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例 如：加速度和压力它有很多优点：重量较轻、工作可靠、 结构很简单、信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等但 是它也存在着某些缺点：有部分电压材料忌潮湿，因此需要 采取一系列的防潮措施，而输出电流的响应又比较差，那就 要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点，让 仪器更好地工作二、压阻压力传感器压阻压力传感器主要基于压阻效应(Piezoresistive effect)o压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产 生的电阻变化不同于上述压电效应，压阻效应只产生阻抗 变化，并不会产生电荷大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效 应其中半导体材料中的压阻效应远大于金属。

由于硅是现 今集成电路的主要，以硅制作而成的压阻性元件的应用就变 得非常有意义的电阻变化不单是来自与应力有关的几何形 变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，这使得其程度 因子大于金属数百倍之多N型硅的电阻变化主要是由于其 三个导带谷对的位移所造成不同迁移率的导带谷间的载子 重新分布，进而使得电子在不同流动方向上的迁移率发生改 变其次是由于来自与导带谷形状的改变相关的等效质量 (effective mass)的变化在P型硅中，此现象变得更复杂，而 且也导致等效质量改变及电洞转换压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中平 时敏感芯体没有外加压力作用，电桥处于平衡状态(称为零 位)，当传感器受压后芯片电阻发生变化，电桥将失去平衡 若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对 应的电压信号，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力 信号输出电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过 电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过 非线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系 的4〜20mA的标准输出信号为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度, 压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线 性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

三、电容式压力传感器电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将 被测压力转换成电容值改变的压力传感器这种压力传感器 一般釆用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电 极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的 电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系 的电信号电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感 器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器DIAPHRAGM单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度 大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到 固定电极的距离成反比另一种型式的固定电极取凹形球面 状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的 方法制成这种型式适于测量低压，并有较高过载能力还 可以釆用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传 感器这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄 的膜片提高灵敏度它还与各种补偿和保护部以及放大电路 整体封装在一起，以便提高抗干扰能力这种传感器适于测 量动态高压和对飞行器进行遥测单电容式压力传感器还有 传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定 电极之间，构成两个电容器在压力的作用下一个电容器的 容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动式电路输 出它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成 过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂差动电容式压力传 感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特 别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的 隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中四、电磁压力传感器多种利用电磁原理的传感器统称，主要包括电感压力 传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等电感压力传感器电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导 率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的 改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化 转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的该种压 力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和变磁导电感 式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是 不能应用于高频动态环境珂变显瞬］箭感器变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片它们跟 之间的气隙形成了一个磁路当有压力作用时，气隙大小改 变，即磁阻发生了变化如果在铁芯线圈上加一定的电压， 电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这 种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量变磁导式压力 传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致 磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值霍尔压力传感器霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制 成的霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电 流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继 而产生电压（霍尔电压）的现象电压所引致的电场力会平 衡洛伦兹力通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流 是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中 的电子受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生 一个电场，此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉 磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏 移，此称为霍尔效应而产生的内建电压称为霍尔电压当磁场为一交变磁场时，霍尔电动势也为同频率的交 变电动势，建立霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高理想霍尔元件的材料要求要有较高的电阻率及载流子迁移 率，以便获得较大的霍尔电动势常用霍尔元件的材料大都 是半导体，包括N型硅(Si)、铢化钢(InSb)、万申化钢In As)、错(Ge)、不申化镣GaAs)及多层半导体质结构材料，N型硅的 霍尔系数、温度稳定性和线性度均较好，碑化镣温漂小，目 前应用。

电涡流压力传感器基于电涡流效应的压力传感器电涡流效应是由一个 移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场 垂直交会所产生简而言之，就是电磁感应效应所造成这 个动作产生了一个在导体内循环的电流电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因 此电涡流压力传感器可用于静态力的检测五、振弦式压力传感器振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率 测量具有想当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的 物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电 阻、电感、电容等因素的影响同时，振弦式压力传感器还 具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简 单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容 易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感 技术发展的方向之一振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元 件的固有频率与拉紧力的大小有关弦的长度是固定的，弦 的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，即输入是力信 号，输出的是频率信号振弦式压力传感器分为上下两个部 分组成，下部构件主要是敏感元件组合体上部构件是铝壳, 包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放置，这 样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出 型振弦式压力传感器在运作式，振弦以其谐振频率不停振 动，当测量的压力发生变化时，频率会产生变化，这种频率 信号经过转换器可以转换为4〜20mA的电流信号。