發布日期：2022-10-09 點擊率：259
壓力傳感器是一種能感受壓力信號，并將壓力信號轉換成可用輸出電信號的器件或裝置，通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成。壓力傳感器是工業應用中最為常見的一種傳感器，廣泛應用于消費電子、水利水電、軌道交通、樓宇自控、航空航天、核電軍工、石油石化、生物制藥、汽車船舶、液壓機床、管道輸送等眾多行業。
壓力傳感器按不同的壓力測量類型，壓力傳感器可分為表壓傳感器、絕壓傳感器和差壓傳感器。
1、表壓傳感器：是一種測量相對壓力值的壓力傳感器。受壓元件的膜片或膜盒的待檢測面與大氣壓連通，實際是測量介質壓力與大氣壓的差壓。這種表壓傳感器是差壓傳感器的一種，但加在受壓元件單側的壓力是大氣壓，會隨著大氣壓的變化而變化。還有一種表壓傳感器叫密封表壓傳感器，密封表壓傳感器的受壓元件膜片或膜盒的待檢測面密封了一個標準大氣壓，這個密封壓力是保持恒定的，與外界大氣壓的變化無關。
2、絕壓傳感器：是一種測量絕對壓力值的壓力傳感器。一般以內部真空腔作為參考，測量的壓力值和真空壓相減后獲得。 絕壓傳感器一般可以測量真空管道的壓力，真空罐體的液位高度以及大氣壓等。絕壓傳感器的負腔與外界隔絕，絕壓傳感器的膜片 (正腔) 充硅油，通過隔離膜片、過程連接獲得測量介質的壓力，然后將獲得的壓力信號通過信號處理單元處理后由信號端子輸出信號。
3、壓差傳感器：是一種用來測量兩個壓力之間差值的傳感器，通常用于測量某一設備或部件前后兩端的壓差。
壓力傳感器按測量壓力的原理和結構型式可分為應變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式、光電式、光纖式、超聲式等。
1、應變式壓力傳感器
應變式壓力傳感器是一種通過測量各種彈性元件的應變來間接測量壓力的傳感器。根據制作材料的不同，應變元件可以分為金屬和半導體兩大類。應變元件的工作原理基于導體和半導體的“應變效應”，即當導體和半導體材料發生機械變形時，其電阻值將發生變化。
如：應變片式壓力傳感器通過粘結在彈性元件上的應變片的阻值變化來測量壓力值的。當被測壓力傳遞到粘貼有電阻應變片的膜片、彈性梁或應變管后，使之產生變形，則由電阻應變片組成的電橋有不平衡電壓輸出，該電壓與作用在壓力傳感器上的被測壓力成正比。
2、壓阻式壓力傳感器
壓阻壓力傳感器主要基于壓阻效應（Piezoresistive effect）制作而成測量壓力的傳感器。壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。不同于壓電效應，壓阻效應只產生阻抗變化，并不會產生電荷。壓阻壓力傳感器的敏感芯體受壓后產生電阻變化，再通過放大電路將電阻的變化轉換為標準電信號輸出。壓阻式測壓芯體常有三類：
a、應變原理: 其結構是將壓敏電阻以惠司通電橋形式與應變材料(通常為不銹鋼)結合在一起；產品特點是過載能力、抗沖擊壓力強，靈敏度較低，適合于測量500kpa以上的高量程范圍，最高可達500mpa。強度高，耐振動，不易損壞，溫度漂移小，高量程(1mpa以上)線性很好。
b、陶瓷壓阻原理: 其結構是將壓敏電阻以惠司通電橋形式與陶瓷燒結在一起；產品特點是過載能力較應變原理較低，抗沖擊壓力較差，靈敏度較高，適合于測量50kpa以上的高量程范圍，最高量程40mpa；耐腐蝕，溫度范圍較寬。
c、擴散硅硅原理：其結構是在硅片上注入粒子形成惠司通電橋形式的壓敏電阻；產品特點是靈敏度很高，精度高，適合于測量1kpa～40mpa的范圍，過壓能力較強，抗沖擊壓力較好，溫度漂移較大，分為帶隔離膜片和非隔離膜片兩類。非隔離膜片只能測干凈的氣體，隔離膜片為軟性膜片，不適合測量粘稠的介質。
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值改變的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。
單電容式壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構成。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而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。這種型式適于測量低壓，并有較高過載能力。還可以采用帶活塞動極膜片制成測量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補償和保護部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測量動態高壓和對飛行器進行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。
差動電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個固定電極之間，構成兩個電容器。在壓力的作用下一個電容器的容量增大而另一個則相應減小，測量結果由差動式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時膜片受到凹面的保護而不致破裂。差動電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對稱性），而且不能實現對被測氣體或液體的隔離，因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質的流體中。
4、壓電式壓力傳感器
壓電式壓力傳感器大多是利用正壓電效應制成的。正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時，內部就產生電極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應又稱電致伸縮效應，是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象。用于電聲和超聲工程的一般使用逆壓電效應制造的變送器。
基于壓電效應的壓力傳感器。它的種類和型號繁多，按彈性敏感元件和受力機構的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關系的電信號。這種傳感器的特點是體積小、動態特性好、耐高溫等。現代測量技術對傳感器的性能提出越來越高的要求，例如用壓力傳感器測量繪制內燃機示功圖，在測量中不允許用水冷卻，并要求傳感器能耐高溫和體積小，壓電材料最適合于研制這種壓力傳感器。
5、電感壓力傳感器
電感式壓力傳感器的工作原理是由于磁性材料和磁導率不同，當壓力作用于膜片時，氣隙大小發生改變，氣隙的改變影響線圈電感的變化，處理電路可以把這個電感的變化轉化成相應的信號輸出，從而達到測量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路變化可以分為兩種：變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的優點在于靈敏度高、測量范圍大；缺點就是不能應用于高頻動態環境。
變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯和膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個磁路。當有壓力作用時，氣隙大小改變，即磁阻發生了變化。如果在鐵芯線圈上加一定的電壓，電流會隨著氣隙的變化而變化，從而測出壓力。在磁通密度高的場合，鐵磁材料的導磁率不穩定，這種情況下可以采用變磁導式壓力傳感器測量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導致磁性元件的移動，從而磁導率發生改變，由此得出壓力值。
6、霍爾壓力傳感器
霍爾壓力傳感器是基于某些半導體材料的霍爾效應制成的。霍爾效應是指當固體導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（霍爾電壓）的現象。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可證實導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子（自由電子）之運動所造成。
在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導線中的電子受到洛倫茲力而聚集，從而在電子聚集的方向上產生一個電場，此電場將會使后來的電子受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得后來的電子能順利通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。
當磁場為一交變磁場時，霍爾電動勢也為同頻率的交變電動勢，建立霍爾電動勢的時間極短，故其響應頻率高。理想霍爾元件的材料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率，以便獲得較大的霍爾電動勢。常用霍爾元件的材料大都是半導體，包括N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導體質結構材料，N型硅的霍爾系數、溫度穩定性和線性度均較好，砷化鎵溫漂小。
7、電渦流壓力傳感器
基于電渦流效應的壓力傳感器。電渦流效應是由一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所產生。簡而言之，就是電磁感應效應所造成。這個動作產生了一個在導體內循環的電流。電渦流特性使電渦流檢測具有零頻率響應等特性，因此電渦流壓力傳感器可用于靜態壓力的檢測。
8、振弦式壓力傳感器
振弦式壓力傳感器屬于頻率敏感型傳感器，這種頻率測量具有想當高的準確度，因為時間和頻率是能準確測量的物理量參數，而且頻率信號在傳輸過程中可以忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。同時，振弦式壓力傳感器還具有較強的抗干擾能力，零點漂移小、溫度特性好、結構簡單、分辨率高、性能穩定，便于數據傳輸、處理和存儲，容易實現儀表數字化。
振弦式壓力傳感器的敏感元件是拉緊的鋼弦，敏感元件的固有頻率與拉緊力的大小有關。弦的長度是固定的，弦的振動頻率變化量可用來測算拉力的大小，即輸入是力信號，輸出的是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為上下兩個部分組成，下部構件主要是敏感元件組合體。上部構件是鋁殼，包含一個電子模塊和一個接線端子，分成兩個小室放置，這樣在接線時就不會影響電子模塊室的密封性。
振弦式壓力傳感器可以選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦式壓力傳感器在運作式，振弦以其諧振頻率不停振動，當測量的壓力發生變化時，頻率會產生變化，這種頻率信號經過轉換器可以轉換為4~20mA的電流信號。
9、MEMS壓力傳感器
MEMS壓力傳感器，就是測量壓力的，主要分為電容式和電阻式。隨著MEMS壓力傳感器的出現和普及，智能手機中用壓力傳感器也越來越多，主要用來測量大氣壓力。測量大氣壓的目的，是為了通過不同高度的氣壓，來計算海拔高度，同GPS定位信號配合，實現更為精確的三維定位，譬如爬樓高度、爬樓梯級數等都可以檢測。
MEMS壓力傳感器的原理也非常簡單，核心結構就是一層薄膜元件，受到壓力時變形，形變會導致材料的電性能（電阻、電容）改變。因此可以利用壓阻型應變儀來測量這種形變，進而計算受到的壓力。下圖是一種電容式MEMS壓力傳感器的結構圖，當受到壓力時，上下兩個橫隔(傳感器橫隔上部、傳感器下部)之間的間距變化，導致隔板之間的電容變化，據此可以測算出壓力大小。
下圖是一種MEMS電阻式壓力傳感器的工作動圖，由一個帶有硅薄膜的底座和安裝在其上的電阻結構組成，當外力施加時，電壓與壓力大小成比例變化產生測量值。
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