四种压力传感器的基本工作原理及特点

四种压力传感器的基本工作原理及特点

一：电阻应变式传感器

1 1电阻应变式传感器定义

被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。

1.2 电阻应变式传感器的工作原理

电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。

箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片也跟随变形。如下图所示。B 为栅宽，L 为基长。

材料的电阻变化率由下式决定：

d d d R A R A

ρρ=+ （1） 式中；

R —材料电阻

由材料力学知识得；

[(12)(12)]dR

R C K μμεε=++-= (2)

K —金属电阻应变片的敏感度系数

式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得

R L K K R L

ε∆∆== (3)

由式(2)可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。

1.3电阻应变式传感器的分类及特点

测低压用的膜片式压力传感器

常用的电阻应变式压力传感器包括 测中压用的膜片——应变筒式压力传感器

测高压用的应变筒式压力传感器

1.3.1膜片——应变筒式压力传感器的特点

该传感器的特点是具有较高的强度和抗冲击稳定性，具有优良的静态特性、动态特性和较高的自震频率，可达30khz 以上，测量的上限压力可达到9.6mp a 。适于测量高频脉动压力，又加上强制水冷却。也适于高温下的动态压力测量，如火箭发动机的压力测量，内燃机、压气机等的压力测量。

1.3.2 膜片式应变压力传咸器的特点

A 这种膜片式应变压力传感器不宜测量较大的压力，当变形大时，非线性较大。但小压力测量中由于变形很小，非线性误差可小于0.5％，同时又有较高的灵敏度，因此在冲击波的测量中，国内外都用过这种膜片式压力传感器。

B 这种传感器与膜片—应变筒式压力传感器相比，自振频率较低，因此在低ρ—材料电阻率

压高频测量中，应严防冲击压力频率与膜片自顿频率相接近，否则台带来严重的波形与压力值的失真与偏低。

二 ：压阻式压力传感器

2.1压阻式压力传感器的工作原理

压阻式压力传感器是由平面应变传感器发展起来的一种新型压力传感器。它以硅片作为弹性敏感元件，任该膜片上用集成电路扩散工艺制成四个等值导体电阻，组成惠斯登电矫，当膜片受力后、由于半导体的压阻效应．电阻值发生变化，使电桥输出而测得压力的变化，利用这种方法制成的压力传感器叫压阻式压力传感器． 相似于电阻应变式传感器(12)L S R E K R

μζπζζ∆=++= L E ρ

πζρ∆=其中 金属电阻应变片的灵敏度系数主要利用

L L ∆的应变效应，而半导体应变片主要利用电阻率

ρρ∆的变化，这就是压阻式压力传感器的基本原理，它是利用压

阻效应的结果。

2.2压阻式压力传感器的特点 结构简单、可微型化。

压阻式压力传感器的优点 可测高频

灵感度高

精度高

受温度影响大

压阻式压力传感器的缺点 量程小

不耐腐蚀

工艺复杂

三：压电式压力传感器

压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应，将压力转换为相应的电信号。经放大器、记录器而得到欲测的动态压力参数。

3.1压电式压力传感器的工作原理

由于压电传感器受到力时，其表面聚集着数量相等而极性相反的电荷Q ，而晶体片本身又是绝缘体，很显然这样的晶体片就构成了电容器，若极扳间电容为C O 时，在两极板间呈现的电压为：

Q U C 因此压电传感器可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的等效电路或把压电传感器等效—个电荷源与一个电容C O 并联的电荷等效电路。

压电作感器的前置放大器可分两类，即高输入阻抗电压放大器，其输出电压与输入电压成正比，这种电压前置放大器一般也称为阻抗变换器；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成比例。

A 电压放大器的工作原理

由于电压放大器具将高输入阻抗和低输出阻抗的特点，因此压电传感器经过电压故大器后就变为低阻抗输出了，这就可以用光线示波器或普通仪器进行记录。

B 电荷放大器的工作原理

电荷放大器能将高内阻的电荷转换为低内阻电压输出，且输出电压正比输入电荷，因此电荷放大器同样起着阻抗变换的作用。它实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。

3.2压电式压力传感器的特点主要有

自震频率高

能适应恶劣环境（如花炮冲击波压力） 低频性能差

温度效应敏感

使用及维修使用比较苛刻

四：电感式压力传感器

4.1电感式压力传感器的工作原理

这种传感器是将压力的变化量转换为对应的电感变化量输入给放大器 和记录器。如下图所示。

电感传感器的工作原理图

1—铁芯 2—衔铁 3—膜盒 p —作用压力

铁芯1和衔铁2均由导磁性材料硅钢片或坡莫合金制成。衔铁和铁芯之间有空隙∂，在压力作用下，衔铁随膜盒3上下运动，磁路中的气隙∂随之改变，使线圈的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化。线圈中的电感等于单位电流所产生的磁链。 电感量2002W S L μσ

= 00W S μ---线圈的匝数

空气的导磁率气隙面积

上式为电感压力传感器的基本特性公式，它表示由于压力P 的变化引起膜片衔铁气隙∂的变化，使得磁路中线圈电感也有相应的变化，而测出电感量的变化，就能得到压力的大小。

4.2电感式压力传感器的特点