现代传感器第四章压力传感器
现代传感器技术及其应用_力、压力传感器new
卸载
加载 F
图2-3 弹性后效
5. 固有振荡频率
弹性敏感元件都有自己的固有振荡频 率f0 ,它将影响传感器的动态特性。传感 器的工作频率应避开弹性敏感元件的固 有振荡频率，往往f0希望较高。在f0会发 生共振.
2.2.2 弹性敏感元件的分类
弹 性 敏 感 元 件 分 类 力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件。
F
力敏感元件
图2-1
转换元件
力传感器测量示意图
测量、显示 电路
力的计量单位及测量原理
力的计量单位为牛顿 1N 1kg m / s 2
力 的 测 量 的 原 理
力 的 静 力 效 应 力 的 动 力 效 应 指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象。由胡克定律 知：如在弹性范围内,弹性物体在力的作用下产生的变形 （x），与所受的力F成正比(k为弹性元件的劲度系数)。 因此，只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量，就可 间接确定物体所受力的大小。
得出单臂电桥输出： 1 R U 1 kU U 0 i i 4 R 4 电桥总输出 U i R1 R2 R3 R4 kU i
U 0
图2-13a
(1 2 3 4 ) 4 R1 R2 R3 R4 4
2、差动电桥
消除非线性误差的方法 ——采用差动电桥
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2.2 弹性敏感元件
弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或 位移,然后再由转换电路将应变或位移转换 成电信号。
压力传感器原理及应用
压力传感器原理及应用
压力传感器是一种能够将压力信号转换为可测量的电信号的装置。
它在工业、医疗、汽车、航空航天等领域有着广泛的应用。
本文将介绍压力传感器的原理及其在不同领域中的应用。
压力传感器的原理是通过一定的敏感元件将受力转换为电信号。
常见的敏感元件有应变片、电容、电阻等。
当受到压力作用时，敏感元件会产生相应的变化，进而产生电信号输出。
这些电信号可以通过信号处理电路进行放大、滤波等处理，最终输出为可供测量和分析的电压信号。
在工业领域，压力传感器被广泛应用于各种工艺控制系统中。
例如，在液压系统中，压力传感器可以实时监测系统中的压力变化，从而实现对液压系统的精准控制。
在汽车制造领域，压力传感器也被用于发动机燃油喷射系统和排气系统中，以实现对发动机工作状态的监测和控制。
在医疗领域，压力传感器被广泛应用于医疗设备中。
例如，血压计就是一种利用压力传感器测量血压的设备。
通过测量被测对象的脉搏波形，血压计可以准确地获取被测对象的血压值，为医生的诊断提供重要参考。
在航空航天领域，压力传感器也扮演着重要的角色。
飞机上的气压计就是一种利用压力传感器测量大气压力变化的设备。
通过实时监测大气压力的变化，飞行员可以及时调整飞机的高度和气压，确保飞机在不同高度的飞行安全。
总的来说，压力传感器是一种十分重要的传感器，它在工业、医疗、汽车、航空航天等领域都有着广泛的应用。
通过将压力信号转换为电信号，压力传感器为各种系统的监测和控制提供了重要的数据支持，为现代化的生产和生活提供了便利。
现代压力传感技术解析
现代压力传感技术解析随着科学技术的进步，各种传感技术逐渐地被应用到了各个领域。
其中，压力传感技术是重要的一种，广泛应用于机械、电子、化工、医疗等领域。
本文从压力传感器的基本原理入手，介绍了现代压力传感技术的发展和应用。
一、压力传感器的基本原理压力传感器是一种能够将被测物体的压力变化转化为电信号输出的装置。
它可以将压力的大小转化为电压、电流、频率等信号，供控制器或显示器处理和显示。
压力传感器的核心部分是敏感元件，它通过感受被测物体的变形，将力学变化转化为电学信号，再通过电路处理及分析输出有用的信息。
敏感元件根据原理不同可以分为：电阻式、电容式、压阻式、共振式等。
其中，电阻式压力传感器是应用最广泛的一种，由于其简单性、价格优势及可靠性以及响应速度较快等特点，广泛应用于各种工业自动化及智能化领域。
二、现代压力传感技术的发展1.数字压力传感技术随着计算机技术的飞速发展，数字压力传感器以其精度高、自动校准、抗干扰性等特点，逐渐代替了传统的模拟压力传感器。
数字压力传感器将模拟信号转化为数字信号，后续处理和分析方便快捷，便于与计算机及其它数字设备连接。
2.微传感技术微传感技术是将传感器器件微型化的一种技术。
微传感器的尺寸通常不大于1毫米，但是具有具有高灵敏度、精度高、响应速度快等特点。
微传感器由于其体积小、成本低，能够实现对细小空间比较精确的测量，已经广泛应用于医疗、军事、交通等领域。
3.光纤传感技术光纤传感技术是利用光学原理进行测量的一种传感技术。
光纤压力传感器具有耐高温、免磁干扰、抗腐蚀等优点，已经在应力分布测量、流速测量等领域中得到了广泛应用。
三、现代压力传感技术的应用1.力学应用领域压力传感器广泛应用于精密机械、运动控制、物流等领域中。
机床、冲压机、注塑机等设备常常需要对压力、力量等参数进行测量与控制，而压力传感器能够实现对这些参数的测量和反馈控制，提高了设备的精度和效率。
2.汽车制造领域汽车制造中需要对行车轮胎的压力进行检测，以保证车辆的正常行驶。
压力传感器工作原理
压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量压力的装置，它可以将压力转化为电信号输出。
压力传感器广泛应用于工业自动化、汽车、航空航天、医疗设备等领域。
了解压力传感器的工作原理对于正确使用和维护压力传感器至关重要。
一、压力传感器的基本原理压力传感器的基本原理是利用压力作用在感应元件上产生的形变或变化，通过转换装置将其转化为电信号输出。
常见的压力传感器有压阻式、电容式、电感式和半导体式等。
1. 压阻式压力传感器：压阻式压力传感器利用材料的电阻随压力变化而发生改变的特性。
当压力作用在感应元件上时，感应元件的电阻值会发生变化，通过测量电阻值的变化来确定压力大小。
2. 电容式压力传感器：电容式压力传感器利用感应元件的电容随压力变化而发生改变的特性。
当压力作用在感应元件上时，感应元件的电容值会发生变化，通过测量电容值的变化来确定压力大小。
3. 电感式压力传感器：电感式压力传感器利用感应元件的电感随压力变化而发生改变的特性。
当压力作用在感应元件上时，感应元件的电感值会发生变化，通过测量电感值的变化来确定压力大小。
4. 半导体式压力传感器：半导体式压力传感器利用半导体材料的电阻随压力变化而发生改变的特性。
当压力作用在感应元件上时，感应元件的电阻值会发生变化，通过测量电阻值的变化来确定压力大小。
二、压力传感器的工作过程压力传感器的工作过程可以分为感应元件的变形和信号转换两个阶段。
1. 感应元件的变形：当外界压力作用在感应元件上时，感应元件会发生形变。
不同类型的压力传感器采用不同的感应元件，如薄膜、膜片、弹簧等。
感应元件的变形会导致电阻、电容或电感发生变化。
2. 信号转换：感应元件变形后，通过转换装置将其转化为电信号输出。
转换装置通常采用电路或芯片进行信号处理和放大。
信号转换的结果可以是模拟信号或数字信号，具体取决于传感器的类型和应用场景。
三、压力传感器的特点和应用1. 特点：- 精度高：压力传感器具有高精度和稳定性，可以提供准确的压力测量结果。
压力传感器
安装问题
安装问题
正确安装 通常高温熔体压力传感器的损坏都是由于其安装位置不恰当而引起的，如果将传感器强行安装在过小的孔或 形状不规则的孔中，就有可能造成传感器的震动膜受到冲击而损坏，选择合适的工具加工安装孔，有利于控制安 装孔的尺寸，另外，合适的安装扭矩有利于形成良好的密封，但是如果安装扭矩过高就容易引起高温熔体压力传 感器的滑脱，为防止这种现象发生，通常在传感器安装之前在其螺纹部分上涂抹防脱化合物。 1.压力传感器正确安装方法： (1)通过适当的仪表，在普通大气压和标准温度条件下，核实压力传感器的频率反应值。 (2)核实压力传感器的编码与相应的频率反应信号的正确性。 2.确定具体安装位置 为了确定压力传感器的编号和具体安装位置，需按充气的各个充气段来考虑。 (1)压力传感器必须沿着线缆进行安装，最好安装在线缆接头处。 (2)每条线缆装设压力传感器不少于4个，靠近局的两个压力传感器，相距不应大干200m。
基本信息
压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出 的电信号的器件或装置。
压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。按不同的测试压力类型，压力传感器可分为表压传感 器、差压传感器和绝压传感器。
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交 通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
扩散硅式
被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使 传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。
压力传感器原理及应用
压力传感器原理及应用一、压力传感器的原理压力传感器是一种能将物理量转换成电信号的装置。
通常，它可以通过材料的变形或变化来测量压力、强度等物理量。
其工作原理主要基于一个重要的物理原理，即当物体受到压力时，它的形状和体积都会发生改变。
因此，压力传感器就是将物理量的变化转换为电信号的装置。
现代压力传感器分为两种类型：静态压力传感器和动态压力传感器。
静态压力传感器的工作原理是基于弹性元件的变形。
当被测物体受到压力时，它的形状和体积都会发生变化，导致弹性元件产生形变。
这个形变可以用来推导出压力的大小，进而将物理量转换为电信号输出。
常见的静态压力传感器有应变式、压阻式和电容式传感器。
动态压力传感器的工作原理则是基于流体动力学原理。
当流体流过一个物体时，它会产生压力，这个压力所产生的力可以转换成电信号输出。
常见的动态压力传感器有风压、气动、水压试验等传感器。
二、压力传感器的应用在现代工业中，压力传感器具有非常广泛的应用。
下面是一些常见的应用：1. 工业自动化：压力传感器可以应用于各种自动化生产线上，如汽车、海洋、制药、食品和饮料等行业中。
它可以用来监测和控制在生产过程中的压力和流量。
2. 空气压缩机和真空泵：压力传感器在空气压缩机和真空泵中的应用非常广泛，用来监测空气压力。
3. 机械工程：压力传感器在机械工程领域的应用非常多，主要用来测量机械元件的压力和强度。
在机床、电机、空气动力推进器、卫星等各种机械设备中，压力传感器都具有重要的应用。
4. 医疗领域：压力传感器在医疗设备中非常重要，如用于血压计、肺功能仪等医疗仪器中的压力传感器。
5. 环境监测：压力传感器可以在地震监测、工程结构监测、气象观测等方面有应用。
综上所述，压力传感器在工业控制和生产过程中起着十分重要的作用。
无论是电子产业、医疗、机械等各行各业，压力传感器都有着广泛的应用。
现代传感技术与应用课件第四章 电容式传感器
2 1
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
( k)
(l)
电容式传感元件的各种结构形式
4.3 输出特性
4.3.1 变极距型电容传感器
下图为变极距型电容式传感器的原理图。当传感器的εr 和S 为常数，初始极距为d0时，由式可知其初始电容量C0为:
C0 =
e0er S d0
若电容器极板间距离由初始值d0缩小Δd, 电容量增大ΔC, 则有：
.
.
I
.
cb＝
U
1
i
jwC
.
I cx＝-
U0
1
jwC x
.
.
I cx＝I cb
.
.
U
0＝－CC
x
.
U
i
C
＝
x
eS d
.
U
0＝－UeiSC
d
因此，输出电压与电源电压反向，与电容极板间距成线性关系。
前提是：放大器开环放大倍数
A＝，¥输入阻抗
Z
＝¥
i
Icx
Cx
Icb C
Ii
Ui
∑
A
Uo
运算放大器式电路原理图
4.3.3 变介质型电容式传感器
下图是一种变极板间介质的电容式传感器用于测量液位 高低的结构原理图。
设被测介质的介电常数为ε1, 液面高度为h, 变换器总高度 为H, 内筒外径为d, 外筒内径为D, 则此时变换器电容值为：
c=
2p ln
e1h D
+
2pe(H ln D
h)
d
压力传感器工作原理
压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量液体或者气体压力的装置，它将压力转换为电信号输出。
压力传感器广泛应用于工业自动化、汽车工程、医疗设备、航空航天等领域。
一、压力传感器的基本原理压力传感器的工作原理基于压力对物体产生的力的原理。
当压力作用于传感器的感应面上时，感应面会受到一个力的作用，这个力与压力成正比。
传感器内部的敏感元件会将这个力转换为电信号输出。
二、压力传感器的构成1. 敏感元件：压力传感器的核心部件是敏感元件，它可以将压力转换为电信号。
常见的敏感元件有电阻应变式传感器、压电式传感器和电容式传感器等。
2. 支撑结构：支撑结构用于支撑敏感元件，并将外界的压力传递给敏感元件。
支撑结构的设计要保证传感器的稳定性和可靠性。
3. 信号处理电路：信号处理电路用于对敏感元件输出的电信号进行放大、滤波和线性化处理，以提高传感器的精度和稳定性。
4. 外壳：外壳用于保护传感器内部的敏感元件和信号处理电路，同时也起到固定传感器的作用。
三、常见的压力传感器类型1. 电阻应变式传感器：电阻应变式传感器是一种常见的压力传感器类型。
它通过测量敏感元件上的电阻值变化来获取压力信息。
当压力作用于敏感元件时，敏感元件会发生形变，导致电阻值的变化。
通过测量电阻值的变化，可以得到压力的大小。
2. 压电式传感器：压电式传感器利用压电材料的特性来转换压力为电信号。
压电材料在受到压力作用时会产生电荷，通过测量产生的电荷量，可以得到压力的大小。
3. 电容式传感器：电容式传感器利用电容的变化来测量压力。
当压力作用于敏感元件时，敏感元件会发生形变，导致电容值的变化。
通过测量电容值的变化，可以得到压力的大小。
四、压力传感器的应用领域1. 工业自动化：压力传感器广泛应用于工业自动化领域，用于测量管道、容器、压力机械等的压力，以实现过程控制和安全保护。
2. 汽车工程：压力传感器在汽车工程中的应用非常广泛。
例如，用于测量发动机的油压、冷却液压力以及轮胎的胎压等。
压力传感器工作原理
压力传感器工作原理压力传感器是一种用于测量压力的装置，广泛应用于工业控制、汽车、医疗设备等领域。
它可以将压力信号转化为电信号，并通过电气或电子设备进行处理和传输。
下面将详细介绍压力传感器的工作原理。
1. 压力传感器的基本结构压力传感器通常由以下几个主要部分组成：a. 压力感应元件：用于感知外部压力的变化，并将其转化为相应的力或位移信号。
b. 信号转换器：将感应元件输出的力或位移信号转化为电信号，一般采用电阻、电容、电感等元件进行转换。
c. 信号处理电路：对转换后的电信号进行放大、滤波、线性化等处理，以获得准确的压力数值。
d. 输出接口：将处理后的电信号输出给控制系统或显示设备，一般采用模拟电压信号或数字信号输出。
2. 压力传感器的工作原理压力传感器的工作原理基于材料的弹性变形和电特性的变化。
常见的工作原理包括压阻式、电容式和电感式等。
a. 压阻式传感器：压阻式传感器利用材料的电阻随压力变化而发生变化的特性。
它通常由一个弹性变形的薄膜或细丝组成，当受到外部压力时，薄膜或细丝发生弯曲或拉伸，导致电阻值的变化。
通过测量电阻值的变化，可以推算出所受到的压力大小。
b. 电容式传感器：电容式传感器利用材料的电容随压力变化而发生变化的特性。
它通常由两个平行的电极组成，当受到外部压力时，电极之间的距离发生变化，导致电容值的变化。
通过测量电容值的变化，可以推算出所受到的压力大小。
c. 电感式传感器：电感式传感器利用材料的电感随压力变化而发生变化的特性。
它通常由一个可变电感器和一个参考电感器组成，当受到外部压力时，可变电感器的线圈结构发生变化，导致电感值的变化。
通过测量电感值的变化，可以推算出所受到的压力大小。
3. 压力传感器的应用压力传感器广泛应用于各个领域，例如：a. 工业控制：用于测量和控制各种工业过程中的压力，如液体管道、气体管道、容器等。
b. 汽车工业：用于测量汽车发动机的油压、气压、制动压力等，以保证汽车的安全和性能。
压力传感器原理及应用
压力传感器原理及应用
压力传感器的原理主要基于霍普金森效应和电阻效应。
霍普金森效应是指在材料受到机械应力时，产生的载流子运动将导致电阻的变化。
当压力施加到传感器的敏感元件上时，敏感元件的形状会发生微小的变化，从而导致载流子运动的变化，并进一步导致电阻的变化。
压力传感器测量这个电阻变化，并将其转化为相应的电信号输出。
压力传感器的应用非常广泛。
在汽车工业中，压力传感器可以用于发动机的控制和监测，如测量燃油压力、空气流量和轮胎压力等。
在医疗设备中，压力传感器可以用于监测患者的呼吸、血液压力和心脏功能等。
在工业自动化中，压力传感器可以用于测量液体和气体的压力，如水力系统的压力监测和气动系统的压力控制。
此外，压力传感器还可以应用于航空航天领域。
在飞机中，压力传感器被用来测量机舱和燃油系统的压力，以确保航空器的安全运行。
在航天器中，压力传感器可以用于测量燃料和推进剂的压力，以保证火箭的正常工作。
压力传感器的选择和安装需要考虑多个因素。
首先，需要根据测量范围确定传感器的量程。
其次，要考虑测量介质的性质，如液体或气体，并选择相应的传感器类型，如压阻式传感器或压电式传感器。
此外，还需要考虑传感器的精度、灵敏度和响应时间等性能指标。
总之，压力传感器是一种非常重要的传感器装置，广泛应用于各个领域。
通过感知物体受力大小并将其转化为电信号输出，压力传感器帮助人们实现对压力的准确测量和监测，从而提高了生产效率、确保了安全性，并促进了科技的进步。
现代传感技术与系统》课件第四章
3
4.1 微机电系统结构与元器件
• MEMS系统是微电子技术的拓宽和延伸
• 微电子技术与精密机械加工技术的融合
• 实现了微电子与机械融为一体的功能。
• 使半导体传感器应用于大型的机械控制
• 大大提高了整个系统的性能: 降低机电系统成本,完成许多大 尺寸机电系统无法完成的任务
例: 尖端直径为5μm的微型镊子可夹起一个红细胞；3mm大小 的
式微型步进电机。这种电机外环具有
内齿，被每个末端的互换的梭子相互
嵌入，如图所示。外环在其外层也有
齿轮，这意味着它能和其他机器互动。
既有旋转形式的步进电机，也可以实现线性步进形式。可用于
实现那些要求精确的、可重复定位的微机械元件设计。
2021/4/27
24
4.1 微机电系统结构与元器件
6. 其它半导体材料的微执行器
目前，采用薄膜和金属镀膜、绝缘材料、在砷化镓 和磷化铟基底上附之光阻材料牺牲层工艺制作执行器 已完成了设计。用砷化镓和磷化铟材料制作微机械集 成装置要求通过片上执行器实现潜在的调整从而获得 性能与产量的改善。互相交叉滑动的电容调节器、弯 曲杠杆，旋转开关已经应用于微机械集成兼容过程并 作为最终实现微集成控制目标迈出的第一步。
2021/4/27
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4.1 微机电系统结构与元器件
5. 微电机
微电机是MEMS元器件中最具潜力的产品之一。一个静电发 动机的例子见图4.1.4。典型的转子直径大约0.1mm。定子的运 动依靠静电力产生的脉冲。
解决电动机和负载之间的偶合以及摩擦问题是使电机投入实 用的最关键问题。在各种技术选择中，采用配有超级性能微处 理器的冷却风扇是人们寄予厚望的方式。摩擦学是关于耗损及 其应用范围的研究，基于对这些机器的大量的调查研究，在维 持MEMS技术允许的特有容量的前提下，它们不再可能使用传 统的润滑方式。
现代传感器的原理及应用
现代传感器的原理及应用概述传感器是现代科技领域中不可或缺的重要组成部分，它可以将环境中的各种物理量转化为电信号，以便进行处理和分析。
现代传感器的原理和应用范围非常广泛，应用于许多行业和领域，如物联网、医疗、农业、工业等。
本文将介绍现代传感器的原理及其在各个领域的应用。
现代传感器的原理现代传感器的工作原理基于不同的物理效应，包括电子、光学、声学、热学、化学等。
下面列举了几种常见的现代传感器的工作原理：1.压力传感器：利用压电效应将物理量转化为电信号。
2.温度传感器：基于热敏效应，测量温度的变化。
3.光电传感器：利用光敏元件检测和转换光信号。
4.加速度传感器：通过测量物体的加速度来检测物体的运动状态。
5.气体传感器：利用化学反应将气体浓度转化为电信号。
现代传感器通过使用这些原理来实现对不同物理量的测量和监测。
它们广泛应用于各个领域，如自动化控制系统、环境监测、医疗设备等。
现代传感器的应用物联网物联网是近年来非常热门的技术领域，传感器在物联网系统中扮演着至关重要的角色。
通过将传感器连接到物联网平台，可以实现对物理世界的实时监测和数据采集。
以下是一些物联网应用中常见的传感器：•温湿度传感器：用于监测环境中的温度和湿度，广泛用于智能家居、农业等领域。
•压力传感器：用于监测管道、容器中的液体压力，可应用于工业控制、水利工程等领域。
•光照传感器：用于检测光照强度，可用于智能照明系统和环境监测。
医疗传感器在医疗领域也发挥着重要作用，可以用于监测和诊断患者的生理指标，提高医疗效率和质量。
以下是一些医疗领域常见的传感器：•心电传感器：用于监测心电图，可以检测心脏功能异常。
•血氧传感器：用于测量血液中的氧气含量，对呼吸系统疾病的诊断和治疗非常重要。
•血糖传感器：用于监测血液中的葡萄糖水平，对糖尿病患者的监护至关重要。
农业农业领域也广泛应用传感器技术，通过对土壤、气候等要素的实时监测，可以提高农作物的产量和质量。
以下是农业领域中常见的传感器：•土壤湿度传感器：用于监测土壤中的湿度，可实现精确的灌溉控制。
现代传感器原理及应用
现代传感器原理及应用
传感器是一种用于测量环境中各种物理量的装置，根据不同的原理可以实现不同的物理量测量。
现代传感器的原理和应用非常广泛，可以应用于工业、医疗、汽车、航天等各个领域。
首先，光电传感器是一种常见的传感器，利用光电效应原理来测量和检测光的强度和其他光电性质。
它可以应用于自动化系统中，如检测物体的位置、颜色和透明度。
其次，磁传感器是利用磁性物质和磁场之间相互作用的原理来测量磁场强度和方向的装置。
它被广泛应用于指南针、磁卡读写器、磁共振成像等领域。
温度传感器是用于测量温度的一种传感器，利用物质的温度变化来改变其电阻、电压或电流等物理量。
它可以应用于智能家居、温控设备、空调系统等领域。
压力传感器是用于测量介质的压力或流体静压力的传感器。
它根据被测介质对敏感元件（如膜片、弹簧等）产生的变形或位移来测量压力。
压力传感器可以应用于工业自动化、汽车制造、医疗设备等领域。
还有加速度传感器，根据被测物体的加速度或振动来测量物体的状态。
它被广泛应用于汽车安全装置、运动测量、地震监测等领域。
此外，湿度传感器用于测量空气中的湿度水分含量，气体传感
器用于测量气体浓度或组分，和接触式传感器用于检测物体的接触状态等等都属于现代传感器的应用范畴。
总之，现代传感器根据不同的原理和应用领域有着多种多样的形式，其原理和应用涉及到光学、电磁、热学、机械学等多个学科。
通过将传感器与其他设备和系统结合使用，可以实现对环境中各种物理量的高精度测量和实时监测。
压力传感器的典型应用
压力传感器的典型应用说起压力传感器，那可是个顶个的能手，在工业里头，它们就像是那些个不起眼却又无比重要的小角色，发挥着大大的作用。
你要是走进一个现代化的工厂，那儿的角角落落，都能瞧见它们的身影。
就说我这回吧，跑到一个水电站去，人家工程师领着我去参观，说是要让我见见世面。
咱们进了那主控室，一眼望去，满墙都是花花绿绿的仪表盘，中间就夹杂着好些个压力传感器。
工程师拍拍我的肩膀，一脸自豪地说：“你瞧瞧，这就是咱们的水力发电心脏，这压力传感器就是守护这心脏的哨兵。
”他还告诉我，水电站里头的水轮机、管道，都需要精确控制压力，才能安全高效地发电。
那些传感器就像是敏锐的耳朵，听着水流的每一个细微变化，再反馈到控制系统里头，自动调节，保证发电的稳当。
我听他说得这么热闹，就问道：“那你们这儿压力传感器是不是都挺贵的？”工程师听了，哈哈大笑：“可不是嘛，贵是贵了点，但你说，命重要还是钱重要？没了这些传感器，万一哪个地方压力超标了，出了事故，那可不是闹着玩的。
”我一想，也是，这些传感器就像保险栓，平时不起眼，关键时刻能救命。
接下来，我又跑到了一家石化厂，嘿，那儿压力传感器的数量比水电站还要多。
工人们说，石化生产里头，那温度和压力，可都是高温高压，一不小心就可能爆炸。
传感器们就像是工厂的守护神，时时刻刻盯着这些危险的家伙，一旦发现不对劲，立刻报警，让人能及时处理。
我听得心惊胆战，但又不得不佩服这些小小传感器的神通广大。
还有一次，我去参观了一家汽车公司，你猜怎么着？连汽车里头也离不开压力传感器。
现在的汽车啊，都是智能化、电子化，啥都得靠传感器来感知。
车里头，刹车系统、悬挂系统，都离不开它们。
我问一个工程师：“要是传感器坏了，会怎么样？”他笑着摇摇头：“那可不得了，刹车失灵、悬挂出问题，这开出去不就是个定时炸弹嘛。
”我听得脊背发凉，心里头对这些传感器那是更加敬畏了。
不仅如此，我还听说，连咱们日常用的空调、冰箱里头，都有压力传感器的身影。
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其电荷容量为：
Ca
S
r0S
压电传感器的等效电路（2）
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的 电压，其大小为：
Ua
q Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一 个电容器Ca的
串联电路，如图 (b)。
压电传感器的等效电路（3）
实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相 连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输 入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起 考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后。
压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的 电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两 种等效电路是完全等效的。
压电晶片的连接方式（2）
q 2q；U U；C 2C
压电晶片的连接方式（3）
串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传 感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感 器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。
q q；U 2U；C 1 C 2
压电传感器的等效电路（1）
分类：
力敏传感器有机械式、电阻式、电容式、电感式、电 流式和压电式
敏感材料：金属、半导体、有机复合体和压电体等
二、压电式压力传感器
压电效应
当某些电介质受到一定方向外力作用而变形时， 其内 部便会产生极化现象， 在它们的上、 下表面会产生 符号相反的等量电荷； 当外力的方向改变时， 其表 面产生的电荷极性也随之改变； 当外力消失后又恢复 不带电状态， 这种现象称为压电效应。
压电晶片的连接方式（1）
在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此， 组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片 或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两 种，即并联和串联。
并联方法
两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集 中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量 大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信 号及电荷量输出信号。
在光轴方向受力时不产生压电效应。
纵向压电效应（1）
对X切族的晶体切片， 当沿电轴方向有作用力Fx 时，在与电轴垂直的平面上产生电荷。在晶体的 线性弹性范围内，电荷量与力成正比， 可表示为：
Qxx=d11Fx
（4-1）
式中，d11称为纵向压电系数［CN-1］， 典型值为 2.31，双角标第一位表示产生电荷表面所垂直的 轴， 第二位表示外力平行的轴，x为1， y为2， z 为3。
压电式传感器的测量电路（3）
1. 电压放大器（阻抗变换器）
Ca A
ua
Re
Ce Ri
Ci
Ca
uo
ua
R
C ui
(a)
(b)
压电传感器接放大器的等效电路 （a） 放大器电路; （b） 等效电路
压电式传感器的测量电路（4）
在图（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci， 而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sinωt的 作用，则其电压为
(a)
(b)
图5-15 压电传感器的完整等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源
压电式传感器的测量电路（1）
由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先 把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器 中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波 电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中， 测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）
Ua
dFm Ca
sin t
Um
sin t
式中：Um——压电元件输出电压幅值， Um=dFm/Ca； d——压电系数。
纵向压电效应（2）
石英晶体切片受力与电荷极性的关系示意图
横向压电效应（1）
如果沿y轴施力为Fy时，电荷仍出现在与x轴垂直的
平面上， 其电荷量为
Qxy
d12
l
Fy
式中，d12=-d11为横向压电系数;l为压电片的长 度;δ为压电片的厚度。
由式可以看出， 横向压电效应与晶片的几何尺寸有 关； 横向压电效应的方向与纵向压电效应相反。
现代传感器
陈志平 刘 巍
第四章：力敏传感器
一、概述 二、压电式压力传感器工作原理及应用 三、压阻式压力传感器工作原理及应用
一、概述
定义：力敏传感器是将应力、应变等力学量或者 机械量转换成电信号的传感器件。
力敏传感器包括：
几何量：形变、位移传感器 运动量：加速度计和陀螺仪等惯性器件 力学量：压力、应力、力矩和声敏传感器
如图4-1（b）所示。按照与z轴的不同夹角，多种切片可 形成一个系列家族，切片长边平行于y轴的称为X切族，平 行于x轴的称为Y切族。
（a) 石英晶体外表； (b) 石英晶体切片
石英晶体的压电效应（2）
压电效应分类：
纵向压电效应：把沿电轴方向的力作用下产生电荷的 压电效应。
横向压电效应：沿机械轴方向的力作用下产生电荷的 压电效应。
前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出 变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱 电信号。
压电式传感器的测量电路（2）
前置放大器电路有两种形式：
一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电 压(即传感器的输出)成正比；
另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压 与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度 变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大 器应用日益广泛。
若在电介质的极化方向上施加电场， 也将产生机械形 变， 这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。
压电材料
石英晶体， 压电陶瓷， 压电薄膜等
石英晶体的压电效应（1）
用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各方向。 其中， 纵向轴称为光轴(z轴)； 经过棱线并垂直于光轴的称为电 轴(x轴)； 与光轴、 电轴同时垂直的称为机械轴(y轴)。
利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必 须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量 电路的漏失减小到足够小程度；而在动态力作用 下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路 一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。
压电传感器的等效电路（4）
Ca
Ua
Ra Cc
Ri Ci
Hale Waihona Puke qCe Ra Cc
Ri Ci