压力传感器的原理与应用

梁式力传感器
① 等 截 面 悬 臂 梁
F
h
l0 l
R 6lF 2 R bh E
等截面梁
结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷
筒式压力传感器
BK-2S称重传感器
采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，
拉、压输出对称性好、 测量精度高、结 构紧凑，安装方便，广泛用于机电结合秤
3 电阻应变片的测量电路
应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化 而得到的。测量电阻的微小相对变化是通过测量电 路得到的。
测量电路：直流电桥（供电电源为直流电压）和 交流电桥（供电电源为交流电压）
工作原理：应变片受力后阻值发生变化，而使桥 路输出电压发生变化，且电压变化与受力大小成比 例。
R1R4 R2 R3 U0 U ( R1 R2 )(R3 R4 )

机械式:成本低、无需电源，被广泛使 用，但体积较大、灵敏度较低。
半导体压力传感器 应变式压力传感器 压阻式压力传感器 测力（称重）传感器 压电式压力传感器 声表面波压力传感器 电容式压力传感器 谐振压力传感器 电感式压力传感器 IC压力传感器……

电气式： （ 体积小、 灵敏度高）
二
电阻应变片传感器
技术参数 量程（t） 1，2，5，10，20，30，50 供桥电压 12VDC 灵敏度 1．5~2mV/V 输入阻抗 730±20Ω 非线性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 输出阻抗 700±10Ω 重复性（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 绝缘电阻 ≥2000MΩ 滞后（%FS） 0.03, 0.05, 0.1 工作温度 -10~+50℃ 允许过负荷 120%FS 热零点偏移（%FS/10℃）

输出电压范围：0～5V 精度可调范围：±0.25％
ui1
uo3
ui2
uo4

l ＝ l l E l
πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向 与晶轴方向之间的夹角有关； E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。
2 电阻应变片的结构与种类
位移、力、力矩、加速度、压力 外力作用 应变片 被测对象表面产生微小机械变形 应变片敏感栅随同变形 电阻值发生相应变化
平衡条件 :
R1R4=R2R3
R1/R2=R3/R4
R1、R2、R3、R4
可由4个应变片单独构
成，也可由4个应变片 和4个电阻构成（将应
变片粘贴在电阻上）
R1、R2、R3、R4
可由4个应变片单独构成，也可由4个应变片和4个电 阻构成（将应变片粘贴在电阻上）
应变片工作时，其电阻变化ΔR
( R1 R1 )(R4 R4 ) ( R2 R2 )(R3 R3 ) U0 U ( R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
容器内液体重量（液位）传感器
三 压力传感器电路举例
（1）应变片压力传感器电路
（2） 扩散型半导体压力传感器电路
压阻式压力传感器结构简图
硅杯 膜片 扩散电阻 内部引线 r0
R1 R2
R3
R4
引线端 p (a) 压力接管
0 .6 350 r (b)
采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 扩散型半导体压力传感器是通过扩散形成的应变电桥构成的 桥路，可以恒压方式进行驱动，也可以恒流方式进行驱动。
采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时有：
R(R1 R2 R3 R4 ) R1R4 R2 R3 U0 U (2R R1 R2 )(2R R3 R4 )
设外力作用下应变片的阻值变化为： R1= R4=R＋△R; R2=R3=R-△R
弹性敏 感元件
应变
（1）金属电阻应变片：金属电阻应变片有丝 式、箔式及薄膜式等结构形式。
（2）半导体应变片：利用半导体材料的
压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。

体型半导体、薄膜型半导体应变片、扩散型半导 体应变片。 *灵敏系数比金属电阻应变片 的灵敏系数大数十倍 ； *横向效应和机械滞后极小； *温度稳定性和线性度比金属 电阻应变片差得多。
R U0 U R
4 电阻应变片传感器
将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、 压力、位移等物理量的传感器。

应变式力传感器 应变式压力传感器 应变式液体重量（或液位）传感器 应变式加速度传感器
薄壁圆环式力传感器
在外力作用下， 各点的应力差别较大
R 3F[ R (h / 2)] 2 1 2 R bh E
组合式压力传感器
压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 应变片不直接粘贴在压力感受元件上
通常用于测量小压力。 其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。
AK-1型应变式脉动压力传感器
产品特点： 采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量
、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统
中。 供桥电压 12VDC 输入阻抗 380±20Ω 输出阻抗 350±10Ω 绝缘电阻 2000MΩ 工作温度 -10~+50℃
BK－4轮辐式传感器系列
采用轮辐式结构，高度低，抗偏 抗侧能力强，测量精度高，性能稳定 可靠安装方便，是大、中量程精度传 感器中的最佳形式，广泛用于各种电 子衡器和各种力值测量，如汽车衡、 轨道衡、吊勾秤、料斗秤。

工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生 变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力 作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出 相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。
优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好， 灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性 好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产， 成本低。
• 导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值随 着发生变化的现象，称为电阻应变效应。
1 工作原理
金属的电阻应变效应： 当金属丝在外力作用下发
生机械变形时其电阻值将发生变化
l 则电阻的变化为：
l dR dl 2 dA d A A A

l
半导体的压阻效应：固体受到作用力后，电阻 率就要发生变化，这种效应称为压阻效应，半 导体材料的压阻效应特别强。 半导体电阻率:
第一章
传感器及其应用
—压力传感器—
一 压力传感器的分类
压力是重要的工业参数之一，正确测量和控制压 力对保证生产工艺过程的安全性和经济性有重要意义。 压力及差压的测量还广泛地应用在流量和液位的测量
中。
压力传感器用以将“压力”转换“成电量，然后
进行测量。这里的”压力“，可以来自流动的气、液
体或声音，也可以是力的作用。