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）。