壓力傳感器原理及應用

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力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器
，其廣泛應用於各種工業自控環境
，涉及水利水電、鐵路交通
、智能建築
、生產自控、航空航天
、軍工
、石化
、油井

、電力

、船舶、機床、管道等眾多行業，下麵就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用1
、應變片壓力傳感器原理與應用
力學傳感器的種類繁多
，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器
、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器
、諧xie振zhen式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi及ji電dian容rong式shi加jia速su度du傳chuan感gan器qi等deng。但dan應ying用yong最zui為wei廣guang泛fan的de是shi壓ya阻zu式shi壓ya力li傳chuan感gan器qi，它ta具ju有you極ji低di的de價jia格ge和he較jiao高gao的de精jing度du以yi及ji較jiao好hao的de線xian性xing特te性xing。下xia麵mian我wo們men主zhu要yao介jie紹shao這zhe類lei傳chuan感gan器qi。
在(zai)了(le)解(jie)壓(ya)阻(zu)式(shi)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)時(shi)，我(wo)們(men)首(shou)先(xian)認(ren)識(shi)一(yi)下(xia)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)這(zhe)種(zhong)元(yuan)件(jian)。電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)是(shi)一(yi)種(zhong)將(jiang)被(bei)測(ce)件(jian)上(shang)的(de)應(ying)變(bian)變(bian)化(hua)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)電(dian)信(xin)號(hao)的(de)敏(min)感(gan)器(qi)件(jian)。它(ta)是(shi)壓(ya)阻(zu)式(shi)應(ying)變(bian)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)之(zhi)一(yi)。電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)應(ying)用(yong)最(zui)多(duo)的(de)是(shi)金(jin)屬(shu)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)和(he)半(ban)導(dao)體(ti)應(ying)變(bian)片(pian)兩(liang)種(zhong)。金(jin)屬(shu)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)又(you)有(you)絲(si)狀(zhuang)應(ying)變(bian)片(pian)和(he)金(jin)屬(shu)箔(bo)狀(zhuang)應(ying)變(bian)片(pian)兩(liang)種(zhong)。通(tong)常(chang)是(shi)將(jiang)應(ying)變(bian)片(pian)通(tong)過(guo)特(te)殊(shu)的(de)粘(zhan)和(he)劑(ji)緊(jin)密(mi)的(de)粘(zhan)合(he)在(zai)產(chan)生(sheng)力(li)學(xue)應(ying)變(bian)基(ji)體(ti)上(shang)，當(dang)基(ji)體(ti)受(shou)力(li)發(fa)生(sheng)應(ying)力(li)變(bian)化(hua)時(shi)，電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)也(ye)一(yi)起(qi)產(chan)生(sheng)形(xing)變(bian)，使(shi)應(ying)變(bian)片(pian)的(de)阻(zu)值(zhi)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)
，從(cong)而(er)使(shi)加(jia)在(zai)電(dian)阻(zu)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。這(zhe)種(zhong)應(ying)變(bian)片(pian)在(zai)受(shou)力(li)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)阻(zu)值(zhi)變(bian)化(hua)通(tong)常(chang)較(jiao)小(xiao)，一(yi)般(ban)這(zhe)種(zhong)應(ying)變(bian)片(pian)都(dou)組(zu)成(cheng)應(ying)變(bian)電(dian)橋(qiao)，並(bing)通(tong)過(guo)後(hou)續(xu)的(de)儀(yi)表(biao)放(fang)大(da)器(qi)進(jin)行(xing)放(fang)大(da)，再(zai)傳(chuan)輸(shu)給(gei)處(chu)理(li)電(dian)路(lu)（通常是a/d轉換和cpu）顯示或執行機構。
金屬電阻應變片的內部結構
如圖1所示
，是電阻應變片的結構示意圖，它由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值範圍應注意：阻(zu)值(zhi)太(tai)小(xiao)
，所(suo)需(xu)的(de)驅(qu)動(dong)電(dian)流(liu)太(tai)大(da)，同(tong)時(shi)應(ying)變(bian)片(pian)的(de)發(fa)熱(re)致(zhi)使(shi)本(ben)身(shen)的(de)溫(wen)度(du)過(guo)高(gao)，不(bu)同(tong)的(de)環(huan)境(jing)中(zhong)使(shi)用(yong)
，使(shi)應(ying)變(bian)片(pian)的(de)阻(zu)值(zhi)變(bian)化(hua)太(tai)大(da)，輸(shu)出(chu)零(ling)點(dian)漂(piao)移(yi)明(ming)顯(xian)，調(tiao)零(ling)電(dian)路(lu)過(guo)於(yu)複(fu)雜(za)。而(er)電(dian)阻(zu)太(tai)大(da)，阻(zu)抗(kang)太(tai)高(gao)，抗(kang)外(wai)界(jie)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)較(jiao)差(cha)。一(yi)般(ban)均(jun)為(wei)幾(ji)十(shi)歐(ou)至(zhi)幾(ji)十(shi)千(qian)歐(ou)左(zuo)右(you)。
電阻應變片的工作原理
金(jin)屬(shu)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)片(pian)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)是(shi)吸(xi)附(fu)在(zai)基(ji)體(ti)材(cai)料(liao)上(shang)應(ying)變(bian)電(dian)阻(zu)隨(sui)機(ji)械(xie)形(xing)變(bian)而(er)產(chan)生(sheng)阻(zu)值(zhi)變(bian)化(hua)的(de)現(xian)象(xiang)
，俗(su)稱(cheng)為(wei)電(dian)阻(zu)應(ying)變(bian)效(xiao)應(ying)。金(jin)屬(shu)導(dao)體(ti)的(de)電(dian)阻(zu)值(zhi)可(ke)用(yong)下(xia)式(shi)表(biao)示(shi)：
式中：ρ——金屬導體的電阻率（ω•cm2/m）
           s——導體的截麵積（cm2）
           l——導體的長度（m）
我(wo)們(men)以(yi)金(jin)屬(shu)絲(si)應(ying)變(bian)電(dian)阻(zu)為(wei)例(li)，當(dang)金(jin)屬(shu)絲(si)受(shou)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)時(shi)，其(qi)長(chang)度(du)和(he)截(jie)麵(mian)積(ji)都(dou)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，從(cong)上(shang)式(shi)中(zhong)可(ke)很(hen)容(rong)易(yi)看(kan)出(chu)

，其(qi)電(dian)阻(zu)值(zhi)即(ji)會(hui)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)
，假(jia)如(ru)金(jin)屬(shu)絲(si)受(shou)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)而(er)伸(shen)長(chang)時(shi)
，其(qi)長(chang)度(du)增(zeng)加(jia)
，而(er)截(jie)麵(mian)積(ji)減(jian)少(shao)，電(dian)阻(zu)值(zhi)便(bian)會(hui)增(zeng)大(da)。當(dang)金(jin)屬(shu)絲(si)受(shou)外(wai)力(li)作(zuo)用(yong)而(er)壓(ya)縮(suo)時(shi)，長(chang)度(du)減(jian)小(xiao)而(er)截(jie)麵(mian)增(zeng)加(jia)，電(dian)阻(zu)值(zhi)則(ze)會(hui)減(jian)小(xiao)。隻(zhi)要(yao)測(ce)出(chu)加(jia)在(zai)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情
2、陶瓷壓力傳感器原理及應用
抗kang腐fu蝕shi的de陶tao瓷ci壓ya力li傳chuan感gan器qi沒mei有you液ye體ti的de傳chuan遞di，壓ya力li直zhi接jie作zuo用yong在zai陶tao瓷ci膜mo片pian的de前qian表biao麵mian，使shi膜mo片pian產chan生sheng微wei小xiao的de形xing變bian，厚hou膜mo電dian阻zu印yin刷shua在zai陶tao瓷ci膜mo片pian的de背bei麵mian，連lian接jie成cheng一yi個ge惠hui斯si通tong電dian橋qiao(閉橋)
，由於壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性
、與激勵電壓也成正比的電壓信號
，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mv/v等，可以和應變式傳感器相兼容。通過激光標定

，傳感器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性
，傳感器自帶溫度補償0～70℃，並可以和絕大多數介質直接接觸。
陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損

、抗衝擊和振動的材料。陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度範圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。電氣絕緣程度>2kv
，輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)強(qiang)，長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)好(hao)。高(gao)特(te)性(xing)，低(di)價(jia)格(ge)的(de)陶(tao)瓷(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)將(jiang)是(shi)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)
，在(zai)歐(ou)美(mei)國(guo)家(jia)有(you)全(quan)麵(mian)替(ti)代(dai)其(qi)它(ta)類(lei)型(xing)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)趨(qu)勢(shi)
，在(zai)中(zhong)國(guo)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)用(yong)戶(hu)使(shi)用(yong)陶(tao)瓷(ci)傳(chuan)感(gan)器(qi)替(ti)代(dai)擴(kuo)散(san)矽(gui)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)。
3
、擴散矽壓力傳感器原理及應用
工作原理
被測介質的壓力直接作用於傳感器的膜片上（不鏽鋼或陶瓷），shimopianchanshengyujiezhiyalichengzhengbideweiweiyi，shichuanganqidedianzuzhifashengbianhua，heyongdianzixianlujiancezheyibianhua
，bingzhuanhuanshuchuyigeduiyingyuzheyiyalidebiaozhunceliangxinhao。
4、藍寶石壓力傳感器原理與應用
利用應變電阻式工作原理，采用矽-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。
藍寶石係由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯後、疲勞和蠕變現象；藍寶石比矽要堅固
，硬度更高，不怕形變
；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 oc以內），因此，利用矽-藍寶石製造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強
；另外
，矽-藍寶石半導體敏感元件
，無p-n漂移
，因此，從根本上簡化了製造工藝，提高了重複性

，確保了高成品率。
用矽-藍寶石半導體敏感元件製造的壓力傳感器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，並且可靠性高
、精度好、溫度誤差極小、性價比高。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構成：鈦(tai)合(he)金(jin)測(ce)量(liang)膜(mo)片(pian)和(he)鈦(tai)合(he)金(jin)接(jie)收(shou)膜(mo)片(pian)。印(yin)刷(shua)有(you)異(yi)質(zhi)外(wai)延(yan)性(xing)應(ying)變(bian)靈(ling)敏(min)電(dian)橋(qiao)電(dian)路(lu)的(de)藍(lan)寶(bao)石(shi)薄(bo)片(pian)，被(bei)焊(han)接(jie)在(zai)鈦(tai)合(he)金(jin)測(ce)量(liang)膜(mo)片(pian)上(shang)。被(bei)測(ce)壓(ya)力(li)傳(chuan)送(song)到(dao)接(jie)收(shou)膜(mo)片(pian)上(shang)（接收膜片與測量膜片之間用拉杆堅固的連接在一起）。在壓力的作用下
，鈦合金接收膜片產生形變
，該形變被矽-藍寶石敏感元件感知後，其電橋輸出會發生變化

，變化的幅度與被測壓力成正比。
傳感器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，並將應變電橋的失衡信號轉換為統一的電信號輸出（0-5，4-20ma或0-5v）。zaijueyayalichuanganqihebiansongqizhong，lanbaoshibopian
，yutaocijijibolihanliaolianjiezaiyiqi，qidaoledanxingyuanjiandezuoyong，jiangbeiceyalizhuanhuanweiyingbianpianxingbian，congerdadaoyaliceliangdemude。
5
、壓電壓力傳感器原理與應用
壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化矽）是(shi)一(yi)種(zhong)天(tian)然(ran)晶(jing)體(ti)，壓(ya)電(dian)效(xiao)應(ying)就(jiu)是(shi)在(zai)這(zhe)種(zhong)晶(jing)體(ti)中(zhong)發(fa)現(xian)的(de)
，在(zai)一(yi)定(ding)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)，壓(ya)電(dian)性(xing)質(zhi)一(yi)直(zhi)存(cun)在(zai)
，但(dan)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)這(zhe)個(ge)範(fan)圍(wei)之(zhi)後(hou)，壓(ya)電(dian)性(xing)質(zhi)完(wan)全(quan)消(xiao)失(shi)（這個高溫就是所謂的“居裏點”）。由於隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電係數比較低），suoyishiyingzhujianbeiqitadeyadianjingtisuotidai。erjiushisuanjianajuyouhendadeyadianlingminduheyadianxishu，danshitazhinengzaishiwenheshidubijiaodidehuanjingxiacainenggouyingyong。linsuanerqinganshuyurenzaojingti，nenggouchengshougaowenhexiangdanggaodeshidu，suoyiyijingdedaoleguangfandeyingyong。 現在壓電效應也應用在多晶體上，比如現在的壓電陶瓷
，包括鈦酸鋇壓電陶瓷
、pzt、铌酸鹽係壓電陶瓷、铌鎂酸鉛壓電陶瓷等等。
yadianxiaoyingshiyadianchuanganqidezhuyaogongzuoyuanli，yadianchuanganqibunengyongyujingtaiceliang，yinweijingguowailizuoyonghoudedianhe


，zhiyouzaihuilujuyouwuxiandadeshuruzukangshicaidedaobaocun。shijideqingkuangbushizheyangde
，suoyizhejuedingleyadianchuanganqizhinenggouceliangdongtaideyingli。
壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋(qiao)梁(liang)和(he)建(jian)築(zhu)的(de)振(zhen)動(dong)和(he)衝(chong)擊(ji)測(ce)量(liang)中(zhong)已(yi)經(jing)得(de)到(dao)了(le)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)，特(te)別(bie)是(shi)航(hang)空(kong)和(he)宇(yu)航(hang)領(ling)域(yu)中(zhong)更(geng)有(you)它(ta)的(de)特(te)殊(shu)地(di)位(wei)。壓(ya)電(dian)式(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)發(fa)動(dong)機(ji)內(nei)部(bu)燃(ran)燒(shao)壓(ya)力(li)的(de)測(ce)量(liang)與(yu)真(zhen)空(kong)度(du)的(de)測(ce)量(liang)。也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)軍(jun)事(shi)工(gong)業(ye)，例(li)如(ru)用(yong)它(ta)來(lai)測(ce)量(liang)槍(qiang)炮(pao)子(zi)彈(dan)在(zai)膛(tang)中(zhong)擊(ji)發(fa)的(de)一(yi)瞬(shun)間(jian)的(de)膛(tang)壓(ya)的(de)變(bian)化(hua)和(he)炮(pao)口(kou)的(de)衝(chong)擊(ji)波(bo)壓(ya)力(li)。它(ta)既(ji)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)大(da)的(de)壓(ya)力(li)
，也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)測(ce)量(liang)微(wei)小(xiao)的(de)壓(ya)力(li)。
壓ya電dian式shi傳chuan感gan器qi也ye廣guang泛fan應ying用yong在zai生sheng物wu醫yi學xue測ce量liang中zhong
，比bi如ru說shuo心xin室shi導dao管guan式shi微wei音yin器qi就jiu是shi由you壓ya電dian傳chuan感gan器qi製zhi成cheng的de，因yin為wei測ce量liang動dong態tai壓ya力li是shi如ru此ci普pu遍bian，所suo以yi壓ya電dian傳chuan感gan器qi的de應ying用yong就jiu非fei常chang廣guang泛fan。
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