压力传感器特点及其原理

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，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。

压力传感器是一种能够将物理量转化为电信号输出的传感器，主要用于测量压力和重量。压力传感器具备广泛的应用范围、高精度和稳定性、快速响应时间、低功耗和高效能、耐高温和耐腐蚀性、多种工作原理、可定制性和可靠性、易于集成和使用等特点。压力传感器在工业控制、汽车制造、医疗以及环境等领域的广泛应用。

压电传感器中主要使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)是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失(这个高温就是所谓的“居里点”)。由于随着应力的变化电场变化微小(也就说压电系数比较低)，所以石英逐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，但是它只能在室温和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，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

重载压力传感器是传感器中一种，但是我们很少听说这种压力传感器，它通常被用于交通运输应用中，通过监测气动、轻载液压、制动压力、机油压力、传动装置、以及卡车/拖车的气闸等关键系统的压力、液力、流量及液位来维持重载设备的性能。重载压力传感器是一种具有外壳、金属压力接口以及高电平信号输出的压力测量装置。许多传感器配有圆形金属或塑料外壳，外观呈筒状，一端是压力接口，另一端是电缆或连接器。这类重载压力传感器常用于极端温度及电磁干扰环境。工业及交通运输领域的客户在控制系统中使用压力传感器，可实现对冷却液或润滑油等流体的压力测量和监控。同时，它还能够及时检测压力尖峰反馈，发现系统阻塞等问题，从而即时找到解决方案。重载压力传感器一直在发展，重载压力传感器为了能够用于更加复杂的控制系统，设计工程师必需提高传感器精度同时需要降低成本便于实际应用等要求。

压力传感器的原理

压力传感器的原理是传感器内部的应变计测量被测物体的应变量，然后通过电缆输出电信号，将这些电信号传输到数据采集系统中进行处理，最终得到被测量物体的压力值。应变计是一种将应变转化为电阻变化的传感器，可以测量被测量物体的形变量，从而计算出压力。

工业控制：压力传感器在工业中的应用非常广泛，主要用于生产和加工过程中的压力测量。例如，它可以用于测量液体或气体的压力，常被用于制药、化工、食品和饮料等领域。此外，压力传感器也可以用于测量机器的重量和压力，以帮助机器的维护和保养。

汽车制造：汽车工业中也广泛使用了压力传感器。例如，它可以用于测量汽车轮胎的压力，以帮助司机保持轮胎的正确气压。此外，它还可以用于测量发动机的压力和油压，以帮助司机监控车辆的状态。

医疗应用：压力传感器在医疗领域也有广泛的应用。例如，它可以用于测量血压，协助医生诊断和治疗高血压、低血压等疾病。此外，压力传感器还可以用于测量呼吸机的压力，以帮助医生和护士监测病人的呼吸状态。

环境应用：压力传感器也可以用于环境监测。例如，它可以用于测量大气压力、海洋深度和土壤压力等参数。这些数据可以用于气象、海洋学和土壤学等领域的研究。

压力传感器工作原理

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，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，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

1 、应变片压力传感器原理与应用

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、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。

在了解压阻式力传感器时，我们首先认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化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。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化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，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。

金属电阻应变片的内部结构

如图1 所示，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、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，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注意：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，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

电阻应变片的工作原理

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化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中：ρ——金属导体的电阻率(Ω。cm2/m )

S ——导体的截面积(cm2 )

L ——导体的长度(m )

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化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，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化(通常是测量电阻两端的电压)，即可获得应变金属丝的应变情

2 、陶瓷压力传感器原理及应用

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接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，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可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0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

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-40 ～135 ℃，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使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3 、扩散硅压力传感器原理及应用

工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，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化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

原理图

4 、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象;蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变;蓝宝石有着非常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，对温度变化不敏感，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，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。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固的连接在一起)。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化，变化的幅度与被测压力成正比。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。

5 、压电压力传感器原理与应用

压力传感器特点

压力范围广泛：压力传感器可适用于不同压力范围的测量，从微小的压力到极大的压力，都可以通过合适的传感器来实现。不同应用场景和需求都能找到合适的压力传感器。

高精度和稳定性：压力传感器在测量过程中能提供高度准确的结果，并且具有优异的长期稳定性。其精确度和稳定性是许多关键应用中不可或缺的特点。

快速响应时间：压力传感器对压力变化的响应速度非常快。它们能够实时捕捉和反馈压力的变化，从而满足对实时监测和控制的要求。

低功耗和高效能：许多压力传感器采用低功耗的设计，以确保其在长时间使用中的能效表现。这是非常重要的特点，尤其对于依赖电池供电的设备和系统而言。

耐高温和耐腐蚀：压力传感器通常需要在恶劣的环境条件下使用，如高温或腐蚀性介质。因此，良好的压力传感器必须具备耐高温和耐腐蚀的性能，以确保其可靠性和长寿命。

多种工作原理：压力传感器可采用多种工作原理，如电阻应变、压电效应、共振原理等。这使得它们能够适应不同的应用需求，并提供多样化的选择。

可定制性和可靠性：由于不同应用对压力传感器的要求差异较大，良好的压力传感器应具有一定的可定制性，并能够在各种环境中保持可靠的性能。

易于集成和使用：良好的压力传感器应具备易于集成和使用的特点，以确保在各种应用中的方便性和灵活性。