壓力傳感器的工作原理及應用

壓力傳感器是zui在工業實踐中常用的一種傳感器。它廣泛應用于各種工業自動控制環境，涉及水利水電、鐵路運輸、智能建筑、生產自動控制、航空航天、軍工、石油化工、油井、電力、船舶、機床、管道等諸多行業。下面簡要介紹一些常用的傳感器原理及其應用。

1.應變式壓力傳感器的原理及應用

有許多種機械傳感器，例如電阻應變計壓力傳感器、半導體應變計壓力傳感器、壓阻壓力傳感器、電感壓力傳感器、電容壓力傳感器、諧振壓力傳感器和電容加速度傳感器。然而，zui被廣泛用作壓阻式壓力傳感器，具有極低的價格、高精度和良好的線性特性。下面我們主要介紹這種傳感器。

為了給電阻式力傳感器減壓，我們首先識別電阻應變儀的元件。電阻應變計是一種靈敏的裝置，它將被測件上的應變變化轉換成電信號。它是壓阻式應變傳感器的主要部件之一。電阻應變片主要由金屬電阻應變片和半導體應變片組成。金屬電阻應變片包括金屬絲應變片和金屬箔應變片。通常，應變儀通過特殊的粘合劑緊緊地粘合在產生機械應變的基體上。當基體的應力改變時，電阻應變儀也會一起變形，從而改變應變儀的電阻值，從而改變施加到電阻上的電壓。應力作用下應變儀產生的電阻值變化通常很小。通常，應變儀形成應變橋，該應變橋由隨后的儀表放大器放大，然后傳輸到處理電路(通常是模數轉換和中央處理器)顯示或執行機構。

金屬電阻應變儀的內部結構

電阻應變片由基體材料、金屬應變片或應變片、絕緣保護片和引出線組成。根據不同的用途，電阻應變片的電阻值可以由設計者設計，但電阻值的取值范圍要注意:電阻值太小，所需的驅動電流太大，同時，應變片的發熱導致應變片溫度過高，在不同的環境中使用會導致應變片電阻值變化過大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。然而，電阻太大，阻抗太高，抵抗外部電磁干擾的能力差。一般來說，從幾萬歐元到幾萬歐元不等。

電阻應變儀的工作原理

金屬電阻應變儀的工作原理是吸附在基材上的應變電阻隨機械變形而變化，俗稱電阻應變效應。金屬導體的電阻值可由以下公式表示:

其中:& rho& mdash& mdash電阻率(&ω；& middotcm2/m)

S & mdash& mdash導體的橫截面積(cm2)

讓我們以導線應變電阻為例。當金屬絲受到外力時，它的長度和橫截面積將會改變。從上面的公式可以很容易地看出，它的電阻值會發生變化。如果導線被外力拉伸，其長度將增加，而橫截面積將減小，電阻值將增加。當導線被外力壓縮時，長度減小，橫截面增大，電阻值減小。只要測量電阻的變化(通常是電阻兩端的電壓)，就可以獲得應變導線的應變。

2.陶瓷壓力傳感器的原理及應用

耐腐蝕陶瓷壓力傳感器無液體傳輸。壓力直接作用在陶瓷隔膜的前表面，導致隔膜輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，并連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓阻的壓阻效應，電橋產生一個與壓力成正比、與激勵電壓成正比的高線性電壓信號。根據不同的壓力范圍等，標準信號被校準為2.0/3.0/3.3毫伏/伏。它與應變傳感器兼容。通過激光校準，傳感器具有較高的溫度穩定性和時間穩定性。該傳感器具有自身0 ~ 70℃的溫度補償，可直接與大多數介質接觸。

陶瓷是公認的具有高彈性、耐腐蝕性、耐磨性、抗沖擊性和抗振動性的材料。陶瓷及其厚膜電阻的熱穩定性使其工作溫度范圍高達-40 ~ 135℃，測量精度和穩定性高。電絕緣度< 2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高性能低價格陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向。歐洲和美國有取代其他類型傳感器的趨勢。在中國，越來越多的用戶使用陶瓷傳感器來代替擴散硅壓力傳感器。

3.擴散硅壓力傳感器的原理及應用

工作原理

待測介質的壓力直接作用在傳感器(不銹鋼或陶瓷)的膜片上，使膜片產生與介質壓力成比例的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，用電子線檢測這種變化，并轉換和輸出對應于該壓力的標準測量信號。

4.藍寶石壓力傳感器的原理及應用

基于應變電阻原理，硅藍寶石被用作具有計量特性的半導體敏感元件。

藍寶石由單晶絕緣體元件組成，不會引起遲滯、疲勞和蠕變。藍寶石比硅更強，硬度更高，不怕變形。藍寶石具有非常好的彈性和絕緣特性(低于1000℃)。因此，由硅藍寶石制成的半導體敏感元件對溫度變化不敏感，并且即使在高溫條件下也具有良好的工作特性。藍寶石具有極強的抗輻射能力。此外，硅藍寶石半導體敏感元件沒有p-n漂移，從根本上簡化了制造工藝，提高了重復性，保證了高成品率。

硅藍寶石半導體敏感元件制成的壓力傳感器和變送器可在較惡劣的工作條件下正常工作，具有高可靠性、高精度、較小溫度誤差和高性價比。

表壓傳感器和變送器由兩個膜片組成:鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延應變靈敏電橋電路的藍寶石片焊接在鈦合金測量膜片上。測量的壓力被傳輸到接收膜片(接收膜片和測量膜片通過拉桿牢固地連接在一起)。鈦合金接收膜片在壓力作用下變形。硅藍寶石敏感元件檢測到變形后，其電橋輸出將發生變化，變化幅度與測量壓力成正比。

傳感器電路可以保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的不平衡信號轉換成統一的電信號輸出(0-5、4-20mA或0-5V)。在絕對壓力傳感器和變送器中，藍寶石片與陶瓷基玻璃焊料連接，作為彈性元件將測量的壓力轉換成應變儀變形，從而達到壓力測量的目的。

5.壓電壓力傳感器的原理及應用

主要用于壓電傳感器的壓電材料包括應時、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫鈉。其中，應時(二氧化硅)是發現壓電效應的天然晶體。在一定的溫度范圍內，壓電特性總是存在的，但是當溫度超過這個范圍后，壓電特性就完全消失了(這個高溫稱為& ldquo居里點。).由于電場隨著應力的變化略有變化(即壓電系數相對較低)，應時逐漸被其他壓電晶體取代。酒石酸鉀鈉具有很高的壓電靈敏度和壓電系數，但只能應用于室溫和濕度較低的環境中。磷酸二氫胺是一種能夠耐高溫高濕的人造晶體，因此得到了廣泛的應用。

現在壓電效應也應用于多晶體，如目前的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷、壓電陶瓷、鈮酸鹽壓電陶瓷、鈮酸鉛鎂壓電陶瓷等。

壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理。壓電傳感器不能用于靜態測量，因為施加外力后的電荷只能在回路具有無限輸入阻抗時存儲。實際情況并非如此，因此它決定壓電傳感器只能測量動態應力。

壓電傳感器主要用于加速度、壓力和力的測量。壓電加速度計是一種常見的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長的優點。壓電加速度傳感器已廣泛應用于飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑物的振動和沖擊測量，尤其是航空和航天領域。壓電傳感器也可以用來測量發動機的內燃壓力和真空。它也可用于軍事工業，例如，它可用于測量膛內點火時膛內壓力的變化和炮口處的沖擊波壓力。它可以用來測量大壓力和小壓力。

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