压力传感器原理及应用

压力传感器原理及应用
压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。

压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器，光纤压力传感器等。

一、压阻式压力传感器
固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。

压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器，就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻，当硅膜片受压时，膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。

压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

1、压阻式压力传感器基本介绍
压阻式传感器有两种类型：一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片，称为半导体应变片，因此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。

半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同，也是由弹性敏感元件等三部分组成，所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。

半导体应变片与金属应变片相比，最突出的优点是它的体积小而灵敏高。

它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍，输出信号有时不必放大即可直接进行测量记录。

此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽，从静态应变至高频动态应变都能测量。

由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。

但是半导体应变片也存在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变—电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。

扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。

单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。

因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。

利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本型式。

硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引
线等组成。

硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，
在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的
电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥再用压焊
法与外引线相连。

膜片的一侧是和被测系数相连接的高压
腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。

当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，
从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出
相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。

2、压阻式压力传感器特点
压阻式压力传感器的特点是：灵敏度高，频率响应高；测量范围宽，可测低至10Pa 的微压到高至60Mpa 的高压；精度高，工作可靠，其精度可达±0.2％～0.02％；易于微小型化，目前国内生产出直径φ1.8～2mm 的压阻式压力传感器。

目前，应用最为广泛的压力传感器是压阻式压力传感。

3、压阻式压力传感器测量方法
化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应
关系。

如图4的压力测量放大电路中，R1~R4
由压敏电阻构成的直流电桥，无力作用时，
通过调节RP 使直流桥输出电压为0。

R5、
R6为限流电阻。

通过改变R7值可以改变放
大倍数。

输出电压信号如果要作为数字信号
处理，则后续电路可接A/D 转换电路。

4、典型压阻式压力传感器型号及
应用
图1.1 压阻式压力传感器
二、应变式压力传感器
应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。

1、应变式压力传感器分类介绍
应变计中应用最多的是粘贴式应变计(即应变片)。

它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半
导体应变计)。

但由于应变片的体积小,商品化
的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活
设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场
合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍
有广泛的应用。

按弹性敏感元件结构的不同,
应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片
式、应变梁式、组合式四种。

①应变管式又称应变筒式。

它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测系统连接(图1)。

在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片,另一半作为测量应变片。

当没有压力时4片应变片组成平衡的全桥式电路;当压力作用于内腔时,圆筒变形成“腰鼓形”,使电桥失去平衡,输出与压力成一定关系的电压。

这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。

应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。

②膜片式它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜
片。

膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应变均达到正
的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。

因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥
臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。

采用圆形箔
式应变计(见电阻应变计)则能最大限度地利用膜片的应变效
果（图2）。

这种传感器的非线性较显著。

膜片式压力传感器
的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜
片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。

③应变梁式测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。

一种方法是用膜片把压力转换为力再通过传力杆传递给应变梁。

图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。

这种结构还有其他形式，
例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。

④组合式在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元
件可分为感受元件和弹性应变元件。

感受元件把压力转换为
力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在
弹性应变元件的最大应变处。

实际上较复杂的应变管式和应
变梁式都属于这种型式。

感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、Π形梁、环形梁、薄壁筒等。

它们之间可根据不同需要组合成多种型式。

2、应变片使用方法
通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是a/d转换和cpu）显示或执行机构。

常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。

应变仪采用交流电桥时，输出特性与直流电桥(直流电桥的输出特性)类似。

应变片的布置和电桥组接（简称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。

还应利用适当的布片组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响。

测量拉伸(压缩)应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到温度补偿(测轴向拉(压)时的温度补偿)、消除弯矩影响(用双工作片消除温度的影响)和提高测量灵敏度(用四工作片提高测量的灵敏度)的目的。

常用应力测量的布片和组桥方式: 当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。

可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。

3、典型应变式压力传感器
三、压电式压力传感器
某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时，其内部将发生极化
现象，而在其某些表面上会产生电荷。

当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为“压电效应”。

压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。

1、压电压力传感器的基本介绍
常用的压电材料有天然的压电晶体(如石英晶体)和压电陶瓷(如钛酸钡)两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。

它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。

由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：
Q=kSp
式中 Q 为电荷量；k 为压电常数；S 为作用面积；p 为压力。

通过测量电荷量可知被测压力大小。

图3.1为一种压电式压力传感器的结构示意图。

压
电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜
片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。

被测压
力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。

电荷
量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电
流输出，输出信号与被测压力值相对应。

除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或复合材料的合成膜的。

更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。

2、压电压力传感器的基本特点
压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；测量范围宽，可测100MPa 以下的压力；测量精度较高；频率响应高，可达30kHz ，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力
压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。

实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

图3.1 压电式压力传感器结构示意图
压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。

它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。

压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。

压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。

也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。

它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

3、压电压力传感器测量电路
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。

）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。

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。

4、典型压电压力传感器型号 四、电容式压力传感器
电容式压力传感器采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电容的变化，用测量电容的方法测出电容量，便可知道被测压力的大小。

1
、电容式压力传感器基本介绍
图3.2 电压放大器 图3.3 电荷放大器
根据平行板电容器的电容量表达式
C=εA/d (3-9)
式中为电容极板间介质的介电常数；A 为两平行板相对面积；d 为两平行板间距。

由上式可知，改变A 、d 、其中任意一个参数都可以使电容量发生变化，在实际测量中，大多采用保持其中两个参数不变，而仅改变A 或d 一个参数的方法，把参数的变化转换为电容量的变化。

因此，电容量的变化与被测参数的大小成比例。

①差动变极距式电容压力传感器 改变电容两平行板间距d 的测量方式有较高的灵敏度，
但当位移较大时非线性严重。

采用差动电容法可以改善非线性、提高灵敏度、并可减小因ε受温度影响引起的不稳定性。

图3-12是一种电容式差压传感器示意图。

左右对称的不锈钢基座内有玻璃绝缘层，其内侧的凹形球面上除边缘部分外镀有金属膜作为固定电极，中间被夹紧的弹性膜片作为可动测量电极，左、右固定电极和测量电极经导线引出，从而组成了两个电容器。

不锈钢基座和玻璃绝缘层中心开有小孔，不锈钢基座两边外侧焊上了波纹密封隔离膜片，这样测量电极将空间分隔成左、右两个腔室，其中充满硅油。

当隔离膜片感受两侧压力的作用时，通过硅油将差压传递到弹性测量膜片的两侧从而使膜片产生位移。

电容极板间距离的变化，将引起两侧电容器电容值的改变。

对于差动平板电容器，其电容变化与板间距离变化的
关系可表示为：
C0=△d/d0 (3-10)
式中 C0为初始电容值；d0为极板间初始距离；△
d 为距离变化量。

此电容量的变化经过适当的变换器电路，可以转换成反
映被测差压的标准电信号输出。

这种传感器结构坚实，灵敏度高，过载能力大；精度
高，其精确度可达±0.25％～±0.05％；可以测量压力
和差压。

②变面积式电容压力传感器
下图所示为一种变面积式电容压力传感器。

被测压力
作用在金属膜片上，通过中心柱和支撑簧片，使可动电极
随簧片中心位移而动作。

可动电极与固定电极均是金属同图3-12 电容式差压传感器
图 变面积式电容压力传感器
心多层圆筒，断面呈梳齿形，其电容量由两电极交错重叠部分的面积所决定。

固定电极与外壳之间绝缘，可动电极则与外壳导通。

压力引起的极间电容变化由中心柱引至适当的变换器电路，转换成反映被测压力的标准电信号输出。

金属膜片为不锈钢材质，膜片后设有带波纹面的挡块，限制膜片过大变形，以保护膜片在过载时不至于损坏。

膜片中心位移不超过0.3mm，膜片背面为无硅油的封闭空间，不与被测介质接触，可视为恒定的大气压，故仅适用于压力测量，而不能测量压差。

其特点是结构简单，灵敏度高，动态响应快，但是由于电荷泄漏难于避免，不适宜静态力的测量(电容式力传感器的结构原理)。

前面章节介绍过压电式传感器的原理和压电式振动加速度传感器，测力传感器的结构类似。

其特点是体积小，动态响应快，但是也存在电荷泄漏，不适宜静态力的测量。

使用中应防止承受横向力和施加予紧力。

电容式压力传感器
在矩形的特殊弹性元件上，加工若干个贯通的圆孔，每个圆孔内固定两个端面平行的丁字形电极，每个电极上贴有铜箔，构成由多个平行板电容器并联组成的测量电路。

在力F作用下，弹性元件变形使极板间矩发生变化，从而改变电容量，如左图(电容式力传感器)所示。

利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。

它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。

电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

单电容式压力传感器它由圆形薄膜与固定电极构成。

薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。

另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制成（图1）。

这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。

还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。

这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。

它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。

这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。

单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器它的受压膜片电极位于两个固定电极之间,构成两个电容器（图2）。

在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测量结果由差动
式电路输出。

它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。

过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。

差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

五、压磁式压力传感器
压磁式压力传感器的原理，某些铁磁材料受到外力作用时，引起导磁率变化现象，称作压磁效应。

其逆效应称作磁致伸缩效应。

硅钢受压缩时，其导磁率沿应力方向下降，而沿应力的垂向增加；在受拉伸时，导磁率变化正好相反。

如果在硅钢叠片上开有4个对称的通孔，孔中分别绕有互相垂直的两个线圈，如左图(图压磁元件工作原理)所示，一个线圈为励磁绕组，另一个为测量绕组。

无外力作用时，磁力线不和测量绕组交链，测量绕组不产生感应电势。

当受外力作用时，磁力线分布发生变化，部份磁力线和测量绕组交链，并在绕组中产生感应电势，且作用力愈大，感应电势愈大。

压磁式压力传感器的典型代表是压磁式转矩传感器。

5.1 压磁式转矩传感器原理。

铁磁材料制成的转轴，具有压磁效应，在受转矩作用后，沿拉应力+ 方向磁阻减小，
沿压应力- 方向磁阻增大。

在转轴附近相互垂直放置两个铁芯线圈A、B，使其开口端与被测转轴保持1～2mm
的间隙，从而由导磁的轴将磁路闭合，如下图所
示，AA沿轴向，BB垂直于轴向。

在铁芯线圈A中通
以50 Hz的交流电，形成交变磁场。

转轴未受转矩作
用时，其各向磁阻相同，BB方向正好处于磁力线的等
位中心线上，因而铁芯B上的绕组不会产生感应电势。

当转轴受转矩作用时，其表面上出现各向异性磁阻特性，磁力线将重新分布，而不再对称，因此在铁芯B的线圈上产生感应电势。

转矩愈大，感应电势愈大，在一定范围内，感应电势与转矩成线性关系。

这样就可通过测量感应电势e来测定轴上转矩的大小。

压磁式转矩传感器是非接触测量，使用方便，结构简单可靠，基本上不受温度影响和转轴转速限制，而且输出电压很高(可达10V)。

测量力时可以直接在被测对象上布片组桥，也可以在弹性元件上布片组桥，使力通过弹性元件传到应变片。

常用的弹性元件有柱式、梁式、环式、轮辐等多种形式。

①柱式弹性元件通过柱式弹性元件表面的拉(压)变形测力。

应变片的粘贴和电桥的
图压磁式转矩传感器
连接应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部。

柱式力传感器可以测量0.1~3000吨的载荷，常用于大型轧钢设备的轧制力测量。

②梁式弹性元件类型有等截面梁、等强度梁和双端固定梁等，通过梁的弯曲变形测力，结构简单，灵敏度较高。

③环式弹性元件分为圆环式和八角环式。

它也是通过元件的弯曲变形测力，结构较紧凑。

实际应用如切削测力仪。

④轮辐式弹性元件轮幅式弹性元件受力状态可分为拉压、弯曲和剪切。

前两类测力弹性元件经常采用，精度和稳定性已达到一定水平，但是安装条件变化或受力点移动，会引起难于估计的误差。

剪切受力的弹性元件具有对加载方式不敏感、抗偏载、侧向稳定、外形矮等特点。

其特点是硅钢材料受力面加大后，可以测量数千吨的力，且输出电势较大，甚至只需滤波整流，无需放大处理。

常用于大型轧钢机的轧制力测量。

使用中应防止因侧向力干扰而破坏硅钢的叠片结构(压磁式测力装置的工作原理)。

六、差动变压器式测力传感器
把被测的非电量变化转换为线圈互感量变化的传感器称为互感式传感器。

这种传感器是根据变压器的基本原理制成的, 并且次级绕组都用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。

1、差动变压器式测力传感器基本介绍
差动变压器结构形式较多, 有变隙式、变面积式和螺线管式等, 但其工作原理基本一样。

非电量测量中, 应用最多的是螺线管式差动变压器, 它可以测量1～100mm范围内的机械位移, 并具有测量精度高, 灵敏度高, 结构简单, 性能可靠等优点。

2、差动变压器式传感器测量电路
差动变压器输
出的是交流电压,
若用交流电压表测
量, 只能反映衔铁
位移的大小, 而不
能反映移动方向。

另外, 其测量值中
将包含零点残余电
图6.1 差动整流电路。