五種 壓力傳感器 工作原理 匯總

總結(jié)了5種壓力傳感器的工作原理:隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，在工業(yè)設(shè)備中，除液柱式壓力計(jì)、彈性壓力計(jì)外，現(xiàn)在還采用了將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的壓力變送器和壓力傳感器。那么這些壓力變送器和壓力傳感器是如何將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的呢？不同的轉(zhuǎn)換方式有什么特點(diǎn)？

一、壓電壓力傳感器。

壓力式壓力傳感器主要基于壓力效應(yīng)，利用電氣部件和其他機(jī)器將待測(cè)量的壓力轉(zhuǎn)換為電量，進(jìn)行相關(guān)測(cè)量作業(yè)的測(cè)量精密儀器，如許多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不能應(yīng)用于靜態(tài)測(cè)量，是因?yàn)槭芡饬ψ饔煤蟮碾姾?，電路有無限大的輸入阻力時(shí)可以保存。但事實(shí)并非如此。因此，壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。其主要壓力材料為磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓力效應(yīng)是在石英發(fā)現(xiàn)的。

當(dāng)應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，電場(chǎng)的變化很小，其他壓力晶體將取代石英。酒石酸鉀鈉具有較大的壓力系數(shù)和壓力敏感度，但只能用于室內(nèi)濕度和溫度較低的場(chǎng)所。磷酸二氫胺是一種人工晶體，在濕度高、溫度高的環(huán)境環(huán)境，因此應(yīng)用非常廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓力效應(yīng)也已經(jīng)應(yīng)用于多晶體。例如，包括壓力陶瓷、鈮鎂酸壓力陶瓷、鈮酸鹽系壓力陶瓷、鈦酸鋇壓力陶瓷等。

以壓電效應(yīng)為工作原理的傳感器是機(jī)電轉(zhuǎn)換式和自發(fā)電式傳感器。其敏感部件是由壓力材料制成的，壓力材料受到外力作用時(shí)，表面形成電荷，電荷通過電荷放大器、測(cè)量電路的放大、變換阻抗后，轉(zhuǎn)換為與所受外力成正比關(guān)系的電力輸出。用于測(cè)量力和轉(zhuǎn)換力的非電氣物理量，如:

加速度和壓力。重量輕多優(yōu)點(diǎn):重量輕、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音比高、靈敏度高、多。但是，由于部分電壓材料不潮濕，需要采取一系列的防潮措施，輸出電流的反應(yīng)不好，因此需要使用電荷放大器或高輸入阻抗電路來彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，使設(shè)備更好地工作。

二、壓阻壓力傳感器。

壓阻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(jī)械應(yīng)力下產(chǎn)生的電阻變化。與上述壓力效應(yīng)不同，壓力效應(yīng)只產(chǎn)生阻力變化，不產(chǎn)生電荷。

發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬材料和半導(dǎo)體材料具有阻力效果。其中半導(dǎo)體材料中的抗壓效果遠(yuǎn)大于金屬。硅是目前集成電路的主要原因，硅制成的壓阻性元件的應(yīng)用非常有意義。的電阻變化不僅來自與應(yīng)力有關(guān)的幾何變化，而且來自材料本身與應(yīng)力有關(guān)的電阻，其程度因比金屬大幾百倍。n型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)游谷對(duì)的位移引起的轉(zhuǎn)移率不同導(dǎo)游谷間的載荷重新分布，電子在不同流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)移率發(fā)生了變化。其次，由于導(dǎo)帶谷形狀的變化，等效質(zhì)量的變化。在P型硅中，這種現(xiàn)象變得更加復(fù)雜，也導(dǎo)致了等效質(zhì)量的變化和電孔的轉(zhuǎn)換。

壓阻壓力傳感器通常通過引線連接到惠斯登電橋。平時(shí)敏感芯沒有增加壓力，橋處于平衡狀態(tài)(稱為零位)，傳感器受壓后芯片電阻變化，橋處于平衡狀態(tài)。在橋上加入恒定電流和電壓電源時(shí)，橋會(huì)輸出與壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，傳感器的電阻變化會(huì)通過橋變成壓力信號(hào)輸出。電橋檢測(cè)出電阻值的變化，擴(kuò)大后，通過電壓電流的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號(hào)，該電流信號(hào)通過非線性校正環(huán)路的補(bǔ)償，產(chǎn)生了輸入電壓線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的4~20mA的標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。

為了減少溫度變化對(duì)核心電阻值的影響，提高測(cè)量精度，壓力傳感器采用溫度補(bǔ)償措施使零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持高水平。

三、電容式壓力傳感器。

電容式壓力傳感器是利用電容器作為敏感部件，將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電容值變化的壓力傳感器。該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電極，薄膜感到壓力變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測(cè)量電路可以輸出與電壓有關(guān)的電信號(hào)。電容壓力傳感器屬于極距離變化型電容傳感器，可分為單電容壓力傳感器和差電容壓力傳感器。

單電容壓力傳感器由圓形薄膜和固定電極組成。膜在壓力的作用下變形，改變電容器的容量，其靈敏度與膜的面積和壓力成正比，與膜的張力和膜到固定電極的距離成反比。另一種類型的固定電極取凹形球面狀，薄膜為周邊固定的張緊平面，薄膜可以用塑料鍍金屬層的方法制作。該型號(hào)適用于測(cè)量低壓，具有較高的過載能力。也可以用帶活塞的動(dòng)極膜片制作測(cè)量高壓的單電容壓力傳感器。這種類型可以減少薄膜的直接受壓面積，提高薄膜的靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部和放大電路整體密封，以提高抗干擾能力。該傳感器適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)高壓，遠(yuǎn)程測(cè)量飛機(jī)。單電容壓力傳感器有傳聲器式(麥克風(fēng)式)和聽診器式等。

差電容式壓力傳感器的受壓膜片電極位于兩個(gè)固定電極之間，構(gòu)成兩個(gè)電容。在壓力的作用下，下一個(gè)電容器的容量增大，另一個(gè)相應(yīng)減小，測(cè)量結(jié)果由差動(dòng)式電路輸出。其固定電極是在凹凸的玻璃表面鍍金屬層制成的。過載時(shí)，薄膜受凹面保護(hù)，不破裂。電容式壓力傳感器比單電容式靈敏度高，線性好，但加工困難(特別是對(duì)稱性難以保證)，無法實(shí)現(xiàn)被測(cè)氣體和液體的隔離，因此不適合在有腐蝕性和雜質(zhì)的流體中工作。

四、電磁壓力傳感器。

多種利用電磁原理的傳感器統(tǒng)稱，主要包括電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、渦流壓力傳感器等。

電感壓力傳感器的工作原理是磁性材料和磁導(dǎo)率不同，當(dāng)壓力作用于薄膜時(shí)，空氣間隙的大小會(huì)發(fā)生變化，空氣間隙的變化會(huì)影響線圈電感的變化，處理可以將該電感的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)輸出，達(dá)到測(cè)量壓力的目的。該壓力傳感器根據(jù)磁路的變化分為變磁阻和變磁導(dǎo)兩種。電感壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，測(cè)量范圍大，缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)態(tài)環(huán)境。

變磁阻式壓力傳感器的主要部件是鐵芯和膜片。與之間的空隙形成磁路。有壓力作用時(shí)，氣隙的大小發(fā)生了變化，即磁阻發(fā)生了變化。如果在鐵芯線圈中加入一定的電壓，電流會(huì)隨氣隙的變化而變化，從而測(cè)量壓力。

在磁通密度高的情況下，鐵磁材料的導(dǎo)磁率不穩(wěn)定的情況下，可以用變磁導(dǎo)壓傳感器來測(cè)量。變磁導(dǎo)式壓力傳感器用可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動(dòng)，導(dǎo)磁率發(fā)生變化，得到壓力值。

霍爾壓力傳感器是根據(jù)一些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)制成的。霍爾效應(yīng)是指固體導(dǎo)體放置在磁場(chǎng)，電流通過時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)的電荷載子受到羅倫茲的力量偏向，產(chǎn)生電壓(霍爾電壓)的現(xiàn)象。電壓引起的電場(chǎng)力平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可以證明導(dǎo)體內(nèi)部的電流是由帶粒子(自由電子)的運(yùn)動(dòng)引起的。

在導(dǎo)體上加上垂直于電流方向的磁場(chǎng)，導(dǎo)線中的電子會(huì)受到羅倫茲的力量而聚集，在電子聚集的方向上產(chǎn)生電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)會(huì)使之后的電子受到電力的作用，平衡磁場(chǎng)引起的羅倫茲的力量，使之后的電子能夠順利通過產(chǎn)生的內(nèi)部電壓稱為霍爾電壓。

磁場(chǎng)為交換磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也為同頻交換電動(dòng)勢(shì)，建立霍爾電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間極短，響應(yīng)頻率高。理想霍爾元件的材料需要較高的電阻率和載流子轉(zhuǎn)移率，以獲得較大的霍爾電動(dòng)勢(shì)。常用霍爾元件的材料大多是半導(dǎo)體。

基于電渦流效應(yīng)的壓力傳感器。電渦流效應(yīng)是由一個(gè)移動(dòng)的磁場(chǎng)與金屬導(dǎo)體相交，或是由移動(dòng)的金屬導(dǎo)體與磁場(chǎng)垂直交會(huì)所產(chǎn)生。簡(jiǎn)而言之，就是電磁感應(yīng)效應(yīng)所造成。這個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生了一個(gè)在導(dǎo)體內(nèi)循環(huán)的電流。

電渦流特性使電渦流檢測(cè)具有零頻率響應(yīng)等特性，因此電渦流壓力傳感器可用于靜態(tài)力的檢測(cè)。

五、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(cè)量具有想當(dāng)高的準(zhǔn)確度，因?yàn)闀r(shí)間和頻率是能準(zhǔn)確測(cè)量的物理量參數(shù)，而且頻率信號(hào)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(shí)，振弦式壓力傳感器還具有較強(qiáng)的抗干擾能力，零點(diǎn)漂移小、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、性能穩(wěn)定，便于數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)，容易實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)字化，所以振弦式壓力傳感器也可以作為傳感技術(shù)發(fā)展的方向之一。

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(guān)。弦的長(zhǎng)度是固定的，弦的振動(dòng)頻率變化量可用來測(cè)算拉力的大小，即輸入是力信號(hào)，輸出的是頻率信號(hào)。振弦式壓力傳感器分為上下兩個(gè)部分組成，下部構(gòu)件主要是敏感元件組合體。上部構(gòu)件是鋁殼，包含一個(gè)電子模塊和一個(gè)接線端子，分成兩個(gè)小室放置，這樣在接線時(shí)就不會(huì)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(yùn)作式，振弦以其諧振頻率不停振動(dòng)，當(dāng)測(cè)量的壓力發(fā)生變化時(shí)，頻率會(huì)產(chǎn)生變化，這種頻率信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換為4~20mA的電流信號(hào)。

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