关于压力传感器介绍

[拼音]：yali chuanganqi

[外文]：pressure transducer

能感受流体压力并产生与此压力成线性关系的电信号的测试设备，它与记录仪器相配合可以精确、快速地测量静态压力或脉动压力，并能进行远距离传输和信号变换，因此，在空气动力学、流体力学、爆炸力学、燃烧物理等学科以及工程安全防护和动力机械等技术领域内有广泛应用。

压力传感器一般由三个主要部件组成：

（1）d性元件，将流体压力转换成机械运动或变形；

（2）敏感元件，将d性元件的运动或变形转换成电量的变化；

（3）保护外壳，保护d性元件和敏感元件，并与被测对象相固接。压力传感器的主要技术指标有：

（1）测量范围，传感器可以测量的压力上限和下限；

（2）灵敏度，传感器输出电量与压力的比值；

（3）误差，传感器输出量对压力真实值的偏差，包括非线性、迟滞和漂移；

（4）自振频率，将传感器看成一个二阶自由振动系统时，由它的等效刚度和等效质量决定的自由振动频率，有时也可以用响应时间来表示。脉动压力的测量要求传感器具有尽可能高的自振频率或短的响应时间。

压力传感器按工作原理可分为：电阻式、应变式(包括压阻式)、晶体式、电容式、电磁式和谐振式六类。

利用电阻随压力变化而改变的原理实现压力测量。这类压力传感器大多采用一个d性元件来确定滑线电阻的中心触头位置，而该段电阻上的电压降正比于触头的位移。当电阻两端加上恒定电压时，触头上的电压则随电阻改变而变化。另一种类型电阻压力传感器使用碳堆。在膜盒内盛满碳粒，膜片受力时导致碳粒接触面积发生变化，从而使盒两端电阻发生变化。这种压力传感器已用于传声话筒。由于在电阻压力传感器中有惯性较大的机械运动，因此它们的响应速度很低，已被其他类型的压力传感器取代。仍在使用的压敏电阻通常用锰铜丝绕制或腐蚀而成。由于它的灵敏度较差，一般只应用于10000千克力/厘米2(1千克力/厘米2=9.81×104帕)以上的高压测量中。

是利用应变测量技术发展起来的传感器，已得到广泛应用。作用原理是，通过d性元件（平膜片、波纹膜片、波纹管或d性筒等）将压力转换成应变，用粘在d性元件上的应变片作敏感元件，将应变转换成电信号。 图1是典型的膜片应变式压力传感器原理示意图。四个等电阻值(R1=R2=R3=R4)的应变片粘在平膜片内侧，两个位于膜片的拉应力区，另外两个处于压应力区，它们相对于膜片中心呈对称分布。这四个电阻构成惠斯通电桥，并由交流电源或恒流、恒压电源供电。当膜片受到外力作用时，四个应变片的电阻值改变，使电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电压信号。这类压力传感器的优点是：测量误差小（可达0.01％），性能可靠，工艺简单，易于制造；缺点是灵敏度的提高受到频率响应的限制。

利用半导体集成电路工艺制成的硅膜片固体压阻式压力传感器是应变压力传感器的重大进展。这种传感器是用一个直径和厚度比很大的硅环代替传统的金属膜片作d性元件，四个等值电阻用半导体集成电路工艺直接刻在硅环上。目前已能生产出压力感受面积直径只有数毫米的微型压力传感器，其最大压力量程达3500千克力/厘米2（343兆帕）。自振频率为几百千赫，甚至达到兆赫量级，并有较宽的使用温度范围(-50～120℃)。缺点是温度稳定性较差。

这类传感器是目前最有效和最常用的脉动压力测量仪器。它利用晶体在某一特定轴向受力时产生电荷的压力效应，其电荷量与外界压力成正比。具有压电效应的天然晶体有：石英、电气石和罗谢耳盐等，合成的单晶体有铌酸锂，合成的多晶体（又称压电陶瓷）有：钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)和锆钛锡酸铅(ZTS)。石英的温度稳定性极好，一般可用它制成耐高温高压的压力传感器；电气石的侧向灵敏度小而对静水压力有良好响应，故常用作水下或空气自由场压力传感器的敏感元件；人造晶体的灵敏度要比天然晶体高几十至几百倍，价格低廉，但机械强度和稳定性较差。

晶体压力传感器通常用膜片、圆杆等作为d性元件，但也可使晶体直接受力。图2是常用的膜片式晶体压力传感器和空气自由场式晶体压力传感器的结构图。晶体压力传感器的优点是：有极高的自振频率（高达1000千赫），测量范围达5000千克力／厘米2（490兆帕），输出电荷（或电压）较高。由于输出阻抗很高（大于1013欧姆），通常总是需要一个阻抗变换器与记录仪表相连接。

大多用一个金属膜片来感受压力，该膜片同时又作为电容器的一个极板，电容器的另一个极板是固定的。压力的任何变化都将改变金属膜片与固定极板之间的距离，从而改变系统的电容量。如果传感器的电容作为振荡器谐振回路的一部分，那么压力的变化将改变振荡器的振荡频率；如果该电容是谐振放大器的一部分，则得到电压幅度的变化。这类传感器的优点是：有极宽的测量范围，可测量10-7千克力／厘米2（9.81×10-3帕）至几百千克力／厘米2（几十兆帕）。

分为磁阻式和电感式两种。在这类传感器中，d性元件(例如平膜片)是磁路的一部分，因此压力变化引起d性元件的位移就转换成磁阻或电感量的变化。 图3示出一种典型的差动变磁阻式压力传感器的结构。流体压力经管道作用于膜片时，膜片由于压力差p1-p2而变形，改变了气隙的尺寸，即改变了磁路的磁阻，使两个线圈的电感发生相应变化。电感的变化通过测量电桥转换成电压输出。

任何一种固定几何形状的d性元件（例如弦、板、筒或圆柱体）都具有某一固定的自由振动频率，这一频率是d性体的质量、刚度等参量的函数。当外界压力使d性元件的刚度改变时，自振频率也就相应地改变，频率变化量与外界压力成正比。这类压力传感器包括d性元件、激振线圈（或电极）和电子线路。电子线路通过激振线圈将电能供给d性元件以维持其作等幅振动，电路的谐振频率就是d性元件的自振频率。传感器输出随压力变化而变化的电信号频率极易用数字式频率计精确测出。普遍用于精密石英频率标准的石英谐振器就是一种极好的压力敏感元件，用它制成的压力传感器，误差只有0.01％。

参考书目

1. 南京航空学院、北京航空学院合编：《传感器原理》，国防工业出版社，北京，1980。
2. D.M.Considine， ed.， Process Instruments and Controls Handbook，2nd ed.， McGraw-Hill，New York，1957.

参考文章

• 压力传感器的抗干扰措施?电气技术
• 压力传感器日常使用维护内容有哪些?电气技术
• 什么是MEMS压力传感器?电气技术
• 数字压力计与压力传感器联系和区别是什么?电气技术