一、引言

能夠測量壓力并提供遠(yuǎn)程電信號的設(shè)備統(tǒng)稱為壓力傳感器。壓力傳感器是壓力檢測儀表的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)形式多種多樣。常見類型有應(yīng)變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器和振動頻率式壓力傳感器。

此外，還有光電、光纖和超聲波壓力傳感器。該壓力傳感器能將被測壓力直接轉(zhuǎn)換成各種形式的電信號，方便滿足自動化系統(tǒng)集中檢測和控制的要求，因此在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

目錄

二、什么是壓力傳感器？

壓力傳感器（pressure sensor，簡稱壓力傳感器）是一種能夠感應(yīng)到壓力信號并根據(jù)一定的規(guī)則將其轉(zhuǎn)換為可用輸出電信號的裝置。

在談到壓力傳感器時，我們必須推導(dǎo)出壓力變送器的概念。

傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。敏感元件是指傳感器能直接感受到或響應(yīng)被測物的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器的一部分，它將敏感元件感受到的或響應(yīng)的測量應(yīng)變轉(zhuǎn)換成適合傳輸或測量的電信號。

由于傳感器的輸出信號一般很弱，需要對其進(jìn)行調(diào)制和放大。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，人們也將這部分電路和電源等電路安裝在傳感器內(nèi)部。這樣，傳感器可以輸出易于處理和傳輸?shù)挠杏眯盘枴＿^去技術(shù)相對落后的時候，所謂的傳感器是指上面的敏感元件，發(fā)送器就是上面的轉(zhuǎn)換元件。

壓力傳感器通常是指將變化的壓力信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻或電容信號的敏感元件，例如壓阻元件、壓阻元件等。壓力變送器一般是指由壓敏元件和調(diào)節(jié)回路組成的一套完整的壓力測量回路單元。一般可直接輸出與壓力成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號或電流信號，供儀表、PLC、采集卡等設(shè)備直接采集。

圖1。壓力傳感器

三、壓力傳感器的通用術(shù)語

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一。為了保證生產(chǎn)的正常運行，必須對壓力進(jìn)行監(jiān)控。以下是選擇壓力傳感器時常用的術(shù)語：

（1） 標(biāo)準(zhǔn)壓力

以大氣壓表示的壓力大于大氣壓稱為正壓；低于大氣壓的壓力稱為負(fù)壓。

（2） 絕對壓力

壓力以絕對真空表示。

（3） 相對壓力

比較對象的壓力大?。?biāo)準(zhǔn)壓力）。

（4） 大氣壓力

指大氣壓力。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力（1atm）相當(dāng)于760mm汞柱的壓力。

（5） 真空

指低于大氣壓的壓力狀態(tài)。1托=1/760氣壓（atm）。

（6） 檢測壓力計

指傳感器的適應(yīng)壓力范圍。

（7） 能承受壓力

當(dāng)試驗壓力恢復(fù)時，性能可以承受壓力而不會退化。

（8） 圓精度

在特定溫度（23°C）下，當(dāng)壓力升高或降低時，通過將輸出反向壓力值除以檢測壓力的滿標(biāo)度值得到工作點的壓力波動值。

（9） 準(zhǔn)確度

在特定溫度（23°C）下，當(dāng)添加零壓力和額定壓力時，通過將偏離輸出電流規(guī)定值（4mA，20mA）的值與滿量程值一起移除而獲得的值。單位以%FS表示。

（10） 線性的

模擬輸出隨檢測壓力線性變化，但偏離理想直線。將此偏差表示為滿標(biāo)度值的百分比稱為線性。

（11） 滯后（線性）

用零電壓和額定電壓在輸出電流（或電壓）值之間畫一條理想直線，找出電流（或電壓）值和理想電流（或電壓）值之間的差值作為誤差，然后找出壓力上升和下降時間誤差值。通過將滿標(biāo)度電流（或電壓）值除以上述差值絕對值的最大值得到的值即為滯后。單位以%FS表示。

（12） 遲滯

通過將輸出ON點壓力和OFF點壓力之間的差值除以壓力的滿刻度值得到的值為滯后。

（13） 非腐蝕性

指空氣中含有的物質(zhì)（氮、二氧化碳等）和惰性氣體（氬、氖等）。

圖2。壓力傳感器

四、參數(shù)

壓力傳感器有很多種，它們的性能也有很大的不同。如何選擇更合適的傳感器進(jìn)行經(jīng)濟合理的使用？

（1） 額定壓力范圍

額定壓力范圍是指符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍。也就是說，在最高和最低溫度之間，傳感器輸出壓力范圍滿足規(guī)定的工作特性。在實際應(yīng)用中，傳感器測得的壓力在此范圍內(nèi)。

（2） 最大壓力范圍

最大壓力范圍是指傳感器能夠長期承受的最大壓力，而不會導(dǎo)致輸出特性的永久性變化。特別是對于半導(dǎo)體壓力傳感器，為了提高線性度和溫度特性，額定壓力范圍通常會大大減小。因此，即使在額定壓力以上持續(xù)使用，也不會損壞。通常，最大壓力為額定壓力最高值的2-3倍。

（3） 損傷壓力

損壞壓力是指在不損壞傳感器元件或傳感器殼體的情況下可施加到傳感器上的最大壓力。

（4） 線性

線性是指工作壓力范圍內(nèi)傳感器輸出和壓力之間線性關(guān)系的最大偏差。

（5） 壓力系統(tǒng)

它是在室溫和工作壓力范圍內(nèi)，當(dāng)最小工作壓力和最大工作壓力接近一定壓力時，傳感器輸出之間的差值。

（6） 溫度變化

壓力傳感器的溫度范圍分為補償溫度范圍和工作溫度范圍。補償溫度范圍是由于應(yīng)用了溫度補償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是確保壓力傳感器正常工作的溫度范圍。

圖3。微型壓力傳感器

V壓力傳感器的類型及其原理

5.1應(yīng)變計壓力傳感器

5.1.1應(yīng)變計壓力傳感器的定義和組成

應(yīng)變式壓力傳感器是通過測量各種彈性元件的應(yīng)變來間接測量壓力的傳感器。根據(jù)材料的不同，應(yīng)變元件可分為兩類：金屬和半導(dǎo)體。應(yīng)變元件的工作原理基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即當(dāng)導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料發(fā)生機械變形時，電阻值將發(fā)生變化。

5.1.2應(yīng)變計壓力傳感器的工作原理

當(dāng)金屬線受到外力時，其長度和橫截面積會發(fā)生變化，其電阻值也會發(fā)生變化。如果金屬線被外力拉長，其長度將增加，而橫截面積將減小，電阻值將增加。大的當(dāng)金屬線被外力壓縮時，長度減小，橫截面增大，電阻值減小。只要測量電阻兩端電壓的變化，就可以得到應(yīng)變導(dǎo)線的應(yīng)變。

圖4應(yīng)變式壓力傳感器

5.2壓阻式壓力傳感器

5.2.1壓阻式壓力傳感器的定義

壓阻式壓力傳感器是指利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料受力后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路可以獲得與力的變化成比例的電信號輸出。它也被稱為擴散硅壓阻式壓力傳感器。它不同于粘著應(yīng)變計，粘著應(yīng)變計需要通過彈性敏感元件間接感應(yīng)外力，但通過硅膜片直接感應(yīng)測量壓力。

5.2.2壓阻式壓力傳感器的原理壓阻效應(yīng)

壓阻式壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)用于描述材料在機械應(yīng)力下的電阻變化。與壓電效應(yīng)不同，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，不產(chǎn)生電荷。

大多數(shù)金屬材料和半導(dǎo)體材料都具有壓阻效應(yīng)。其中，半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬材料的壓阻效應(yīng)。由于硅是當(dāng)今集成電路的主要原材料，硅壓阻元件的應(yīng)用變得非常有意義。硅的電阻變化不僅來自于與應(yīng)力相關(guān)的幾何變形，還來自于材料本身與應(yīng)力相關(guān)的電阻，這使其度因子比金屬大數(shù)百倍。

N型硅的電阻變化主要是由于其三個導(dǎo)帶谷對的位移導(dǎo)致載流子在不同遷移率的導(dǎo)帶谷之間重新分布，從而導(dǎo)致電子的遷移率在不同的流動方向上發(fā)生變化。第二個原因是由于導(dǎo)帶谷形狀的變化導(dǎo)致的無效質(zhì)量的變化。在P型硅中，這種現(xiàn)象變得更加復(fù)雜，并導(dǎo)致等效質(zhì)量變化和空穴轉(zhuǎn)換。

壓阻式壓力傳感器通常通過導(dǎo)線連接到惠斯通電橋。正常情況下，敏感芯沒有外部壓力，電橋處于平衡狀態(tài)（稱為零位）。當(dāng)傳感器壓力改變時，芯片電阻改變，電橋?qū)⑹テ胶?。如果向電橋添加恒定電流或電壓電源，電橋?qū)⑤敵雠c壓力相對應(yīng)的電壓信號，從而將傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出的壓力信號。電橋檢測電阻值的變化，經(jīng)過放大后，通過電壓和電流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號，由非線性校正回路進(jìn)行補償，即輸入電壓與4～20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的關(guān)系為線性對應(yīng)。

為了減小溫度變化對鐵芯電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器采用溫度補償措施，保持高水平的零漂、靈敏度、線性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)。

圖5。壓阻式壓力傳感器

5.3電容式壓力傳感器

5.3.1電容式壓力傳感器的定義和原理

電容式壓力傳感器是一種壓力傳感器，它使用電容作為敏感元件，將測量的壓力轉(zhuǎn)換為電容值的變化。這種類型的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(dāng)薄膜因壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容發(fā)生變化。具有某種關(guān)系的電信號。

5.3.2電容式壓力傳感器的分類

電容式壓力傳感器是具有可變極距的電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。

（1） 單容式壓力傳感器

它由一個圓形薄膜和一個固定電極組成。膜在壓力的影響下變形，從而改變電容器的容量。其靈敏度大致與膜面積和壓力成正比，與膜張力和膜到固定電極的距離成反比。

另一種固定電極為凹球面，膜片為固定在周邊的張力面。膜片可以通過鍍一層塑料金屬層制成。這種類型適用于測量低電壓，并具有高過載能力。測量高壓的單電容壓力傳感器也可以由帶有活塞的動極膜片制成。這種類型可以減少發(fā)動機的直接壓縮面積膜片，以便使用更薄的膜片來提高靈敏度。它還封裝了各種補償和保護(hù)部件以及放大電路，以提高抗干擾能力。這種傳感器適用于測量飛機的動態(tài)高壓和遙測。單電容壓力傳感器也有傳聲器型（即傳聲器型）和聽診器型。

（2） 差動電容式壓力傳感器

差動電容式壓力傳感器的承壓膜片電極位于兩個固定電極之間，形成兩個電容器。在壓力的作用下，一個電容器的容量增大，另一個電容器的容量相應(yīng)減小。測量結(jié)果由差動電路輸出。它的固定電極是在凹曲面玻璃表面鍍上一層金屬。過載時，膜片受凹面保護(hù)，不會斷裂。

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，但其加工難度更大（尤其難以確保對稱性），且無法實現(xiàn)被測氣體或液體的隔離，因此不適合在腐蝕性或雜質(zhì)流體中工作。

圖6電容式壓力傳感器

5.4壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(yīng)（壓電效應(yīng)），它利用電氣元件和其他機械將要測量的壓力轉(zhuǎn)換為電能，然后執(zhí)行相關(guān)的測量工作。精密儀器，如許多壓力變送器和壓力傳感器。

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

（1） 正外電效應(yīng)

當(dāng)晶體在固定方向上受到外力時，內(nèi)部會發(fā)生電極化現(xiàn)象，并在某些兩個表面上產(chǎn)生與符號相反的電荷；當(dāng)外力被消除時，晶體恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)它改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。大多數(shù)壓電傳感器都是利用正壓電效應(yīng)制成的。

（2） 逆表電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)是指向晶體施加交變電場以引起晶體機械變形的現(xiàn)象，也稱為電致伸縮效應(yīng)。具有逆壓電效應(yīng)的換能器可用于電聲和超聲工程。壓電變形有五種基本形式：厚度變形、長度變形、體積變形、厚度剪切和平面剪切。壓電晶體是各向異性的，并非所有的晶體都能在這五種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如，石英晶體沒有體積變形的壓電效應(yīng)，但具有厚度變形和長度變形的良好壓電效應(yīng)。

圖7。壓電壓力傳感器

5.5感應(yīng)式壓力傳感器

電磁式壓力傳感器是利用電磁原理的各種傳感器的總稱，主要包括電感式壓力傳感器、霍爾式壓力傳感器、渦流式壓力傳感器等。

感應(yīng)式壓力傳感器的工作原理是由于不同的磁性材料和磁導(dǎo)率。當(dāng)壓力作用在膜片上時，氣隙的大小會發(fā)生變化。氣隙的變化影響線圈電感的變化。輸出相應(yīng)的信號，從而達(dá)到測量壓力的目的。這種壓力傳感器根據(jù)磁路的變化可分為兩種類型：可變磁阻和可變磁導(dǎo)率。

（1） 可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(dāng)有壓力時，氣隙的大小發(fā)生變化，即磁阻發(fā)生變化。如果在鐵芯線圈上施加一定的電壓，電流將隨著氣隙的變化而變化，從而測量壓力。

（2） 在高磁通密度的情況下，鐵磁材料的磁導(dǎo)率是不穩(wěn)定的。在這種情況下，可使用可變滲透率壓力傳感器進(jìn)行測量?？勺兇艑?dǎo)率壓力傳感器用可移動的磁性元件代替鐵芯。壓力的變化引起磁性元件的移動，磁導(dǎo)率變化，從而獲得壓力值。

圖8。感應(yīng)式壓力傳感器

5.6霍爾壓力傳感器

霍爾壓力傳感器是基于某些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成的?；魻栃?yīng)是指當(dāng)固體導(dǎo)體置于磁場中且電流通過時，導(dǎo)體中的載流子被洛倫茲力偏壓到一側(cè)，然后產(chǎn)生電壓（霍爾電壓）的現(xiàn)象。電壓產(chǎn)生的電場力將平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可以確定導(dǎo)體內(nèi)的電流是由帶負(fù)電粒子（自由電子）的運動引起的。

在導(dǎo)體上施加垂直于電流方向的磁場，會使導(dǎo)線中的電子被洛倫茲力聚集，從而在電子集中的方向上產(chǎn)生電場。這個電場將使隨后的電子被電平衡。磁場產(chǎn)生的洛倫茲力使隨后的電子平穩(wěn)通過而不漂移。這就是所謂的霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的內(nèi)置電壓稱為霍爾電壓。

圖9?；魻栃?yīng)傳感器

5.7渦流壓力傳感器

壓力傳感器基于DDY電流效應(yīng)。渦流效應(yīng)是由移動磁場與金屬導(dǎo)體的交叉或移動金屬導(dǎo)體與磁場的垂直交叉引起的。簡而言之，它是由電磁感應(yīng)效應(yīng)引起的。此動作產(chǎn)生在導(dǎo)體中循環(huán)的電流。

渦流特性使渦流檢測具有零頻率響應(yīng)等特性，因此渦流壓力傳感器可用于靜力檢測。

圖10。渦流探頭

5.8諧振式壓力傳感器

諧振壓力傳感器是一種壓力傳感器，它使用諧振元件將測量的壓力轉(zhuǎn)換為頻率信號。諧振式壓力傳感器的重要應(yīng)用有振弦式壓力傳感器、振筒式壓力傳感器、膜片式壓力傳感器和石英晶體諧振式壓力傳感器。

當(dāng)被測參數(shù)改變時，振動元件的固有振動頻率也隨之改變。通過相應(yīng)的測量電路，可以得到與被測參數(shù)有一定關(guān)系的電信號。

圖11。諧振式壓力傳感器

VI壓阻式壓力傳感器的電源和信號處理電路

6.1電源電路

壓阻式傳感器可以由恒壓源或恒流源供電。然而，與恒流源相比，存在著環(huán)境溫度的影響無法消除的問題。

圖12。電源電路

假設(shè)四個擴散電阻的初始電阻均相等，且R為R，則當(dāng)有應(yīng)力時，兩個擴散電阻的電阻以△R、 另外兩個電阻減小△R、 由于溫度的影響，每個小電阻值都有△RT. 因此，電橋的輸出：

在恒定壓力下：

可以看出，輸出電壓V與溫度有關(guān)，并且是非線性的，所以當(dāng)采用恒壓電源供電時，溫度的影響無法消除。在恒定電流中五=我HeR .

可以看出，輸出電壓V與溫度有關(guān)，并且是非線性的，因此當(dāng)由恒壓源供電時，溫度的影響無法消除。在恒定電流下，V=I△R

這表明輸出電壓V與溫度無關(guān)，從而消除了溫度對傳感器輸出信號的影響。因此，可以使用下圖所示的恒流源電源電路，該電路使用雙電源，以避免共模干擾。電流I0=215/R的穩(wěn)定性取決于參考電壓源1403和電阻R的穩(wěn)定性。

圖13。電路

6.2處理電路

壓阻式傳感器的滿標(biāo)度輸出信號范圍為70～350mV，輸出阻抗很高。這就要求放大器電路必須具有較高的輸入阻抗，并且不吸收來自傳感器輸出的電流，以避免破壞傳感器的工作狀態(tài)。下面介紹放大器的電路。

圖14。處理電路

該電路具有高輸入阻抗、高共模抑制比和開環(huán)增益；偏移電流、電壓、噪聲和漂移都很小。圖中A 1、A 2構(gòu)成同相并聯(lián)差動放大器的第一級，該級放大輸出為V0′=V01-V02=[1+（R1+R2）/W]Vi、A1、A2。輸入端不吸收電流，電路結(jié)構(gòu)對稱。漂移和偏移相互抵消，具有抑制共模信號干擾的能力；a3構(gòu)成差分放大的第二階段，以增加放大系數(shù)。為了有效抑制共模信號干擾，電路必須具有R3=R4=R、R5=R6=Rf，并且放大器的總輸出為

調(diào)整電位計W以改變放大器的增益，讓R1=R2，然后V0=-（Rf/R）[1+2R/W]Vi。

七、關(guān)于壓力傳感器的一個問題

7.1問題

哪個傳感器測量相對于完美真空的壓力？

a） 絕對壓力傳感器

b） 表壓傳感器

c） 真空壓力傳感器

d） 壓差傳感器

7.2回答

答案：a）絕對壓力傳感器

說明：壓力傳感器可根據(jù)其測量的壓力范圍、工作溫度范圍以及最重要的測量壓力類型進(jìn)行分類。絕對壓力傳感器是測量相對于完美真空的壓力的傳感器。

八、常見問題

1壓力傳感器的原理是什么？

壓力傳感器有一個恒定面積的傳感元件，并對流體壓力施加在該區(qū)域的力作出響應(yīng)。施加的力將使壓力傳感器內(nèi)的隔膜偏轉(zhuǎn)。測量內(nèi)隔膜的偏轉(zhuǎn)并將其轉(zhuǎn)換為電輸出。

2你說的壓力傳感器是什么意思？

壓力傳感器是能夠測量氣體或液體中壓力的裝置或儀器。壓力傳感器由一個可以確定施加壓力的壓力敏感元件和將信息轉(zhuǎn)換為輸出信號的部件組成。

3壓力傳感器是模擬的還是數(shù)字的？

壓力傳感器將產(chǎn)生與施加壓力成比例的模擬輸出信號。這些壓力傳感器用于不同類型的應(yīng)用，例如用于產(chǎn)生電荷的壓電板或壓電傳感器。

4壓力傳感器應(yīng)該用在哪里？

壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車、醫(yī)療、工業(yè)、消費品和建筑等領(lǐng)域，其可靠運行依賴于準(zhǔn)確、穩(wěn)定的壓力測量。

5靜壓傳感器是如何工作的？

靜壓傳感器是一種壓差傳感器，用于監(jiān)測建筑物內(nèi)外壓差。在通風(fēng)系統(tǒng)中，靜壓是指當(dāng)排氣扇打開時，建筑物內(nèi)的空氣相對于外部空氣壓力所施加的壓力。

6壓力傳感器檢測到什么？

壓力傳感器是一種電子裝置，它檢測、調(diào)節(jié)或監(jiān)測壓力，并將感知到的物理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信號。

7壓力傳感器的缺點是什么？

電容式壓力傳感器的缺點包括對較低的靜電放電（ESD）電壓敏感，并且由于制造量較小而成本較高。

8壓力開關(guān)和壓力傳感器有什么區(qū)別？

壓力開關(guān)用于系統(tǒng)中，以確保機器及其操作員的安全，而傳感器只是將壓力讀數(shù)中繼到遠(yuǎn)程位置。

9壓力傳感器的穩(wěn)定性如何？

壓力傳感器的長期穩(wěn)定性由傳感器校準(zhǔn)間隔期間零點和量程值的最大可接受變化來定義。簡言之，對于一個被認(rèn)為是穩(wěn)定的傳感器，它應(yīng)該在校準(zhǔn)間隔內(nèi)保持其測量值的極低漂移。

10如何使用壓力傳感器？

壓力將導(dǎo)致膜片偏轉(zhuǎn)，使膜片另一側(cè)的惠斯通電橋產(chǎn)生應(yīng)力，并產(chǎn)生mV/V輸出。然后，該毫伏信號被能夠接收毫伏信號的設(shè)備讀取，或者被讀入放大器或信號調(diào)節(jié)器以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。