一文读懂压力传感器的原理和分类

在社会各领域中，压力现象普遍存在，因此压力检测设备在工业应用中变得极为普遍，这类传感器被广泛部署于众多工业自动化场景中，包括但不限于水力电力、铁路运输、智能楼宇、生产自动化系统、航空航天、军事工业、石油化工、油田开采、电力供应、船舶制造、机床制造、管道系统等多个领域。

压力传感器 压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器。

在讲述压力传感器的同时，我们必须导出压力变送器的概念。

传感器一般由两个主要部分构成，分别是敏感元件与转换元件。敏感元件负责直接感知或对被测量的对象做出反应；而转换元件则负责将敏感元件所感知或反应的物理变化，转换成便于传输和测量的电信号。

传感器的输出信号通常十分微弱，因此必须对其进行调制和增强。随着集成技术的进步，人们将相关电路以及电源等部件一同集成到传感器内部。通过这种方式，传感器能够产生易于处理和传输的有效信号。在技术较为落后的过去，所谓的传感器主要指的是上文提到的敏感元件，而变送器则是指上文中的转换元件。

压力传感器通常指的是一种能够将压力变化转化为相应电阻或电容变化的敏感装置，例如压阻型或压容型元件。此外，压力变送器通常是由压敏元件和调理电路组合而成的测量压力的完整电路系统，它通常能够直接产生与压力成正比的标准化电压或电流信号，以便仪表、可编程逻辑控制器（PLC）和采集卡等设备能够直接进行数据采集。

压力传感器的种类丰富多样，涵盖了电阻应变片型、半导体应变片型、压阻式、电感式、电容式以及谐振式等多种类型。

目前市场上使用较普遍的压力传感器包括：扩散硅压阻型压力传感器、陶瓷压阻型压力传感器、溅射薄膜型压力传感器、电容型压力传感器以及具备耐高温性能的蓝宝石压力传感器。然而，其中应用最广泛的是压阻式压力传感器，这种传感器以其极低的成本、较高的测量精度和优良的线性响应特性而受到青睐。

压阻式压力传感器的运作机制涉及将电阻条通过集成技术嵌入单晶硅膜片中，形成硅压阻芯片。该芯片的边缘被固定并封装在外壳内部，同时电极引线被引出。谈及压阻式传感器，我们首先需了解其核心原理——压阻效应。

压阻效应这一概念，主要用来阐述材料在承受机械应力作用时电阻值发生的变化。与压电效应不同，压阻效应仅导致阻抗的改变，而不会产生电荷。

如上图所示原理图，压力一旦发生变化，电阻R1、R2、R3、R4的阻值亦随之改变，进而导致电阻中间所承受的电压出现波动，这种波动正是压力大小的直接体现。

压阻式传感器，亦称作扩散硅压阻式压力传感器，其工作原理是：被测介质的压力直接施加在传感器的膜片上，该膜片通常由不锈钢或陶瓷材料制成。这种压力作用导致膜片产生与介质压力成正比的微小位移。这一位移进而引起传感器电阻值的变化。随后，通过电子线路对这一变化进行检测，并将变化转换为与压力相对应的标准测量信号输出。

这种抗腐蚀的陶瓷压力传感器不涉及液体传导，压力直接施加于陶瓷膜片的前端，导致膜片发生细微变形。在陶瓷膜片的反面，印有厚膜电阻，这些电阻连接构成了一个惠斯通电桥（闭合状态）。得益于压敏电阻的压阻特性，电桥输出与压力成正比且高度线性的电压信号，同时该信号也与激励电压成正比。根据不同的压力量程，标准信号被设定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，且能够与应变式传感器实现兼容。借助激光进行校准，该传感器展现出卓越的温度和时间稳定性；它内置了温度调节功能，适用于0至70摄氏度的环境，并且能够与大部分介质实现直接接触。

陶瓷被广泛认可为一种具有高弹性、优异的耐腐蚀性、耐磨性、抗冲击和抗振动的特性材料。它具备出色的热稳定性，其厚膜电阻特性使得其工作温度范围能够扩展至-40至135摄氏度，同时确保了测量精度和稳定性的高度。此外，其电气绝缘性能达到2kV，输出信号强劲，长期使用稳定性良好。

压电式压力传感器的运作原理是建立在压电效应之上的。压电效应指的是，当某些电介质在特定方向上受到外力作用并发生形变时，其内部会出现极化，并在其相对的两个表面产生电荷，一正一负。外力撤销后，这种电介质会恢复到原本不带电的状态，这种现象被称为正压电效应。而当作用力的方向发生改变时，这些电荷的极性也会相应地发生变化。相反，若在电介质的极化方向施加电场，该电介质便会出现形变；一旦电场被移除，电介质的形变也会随之消失，这一现象即被称为逆压电效应。

压电式压力传感器种类丰富，型号众多，依据弹性敏感元件及受力机构的不同，主要分为膜片式与活塞式两大类。膜片式传感器主要由本体、膜片以及压电元件构成。压电元件稳固地安装在本体之上，膜片负责将所测压力传递至压电元件，随后压电元件将输出与所测压力成正比的电信号。此类传感器的显著特点包括体积小巧、动态性能优越以及耐高温性能出色。现代测量技术对传感器的性能出越来越高的要求。

采用压力传感器对内燃机示功图进行测量时，需遵循不得使用水冷却的规定，同时传感器需具备耐高温和体积小巧的特性。压电材料是制造此类传感器的理想选择。石英材料因其优异的压电性能而被广泛应用，其压电效应正是首次在该材料上被发现。为了提高效果，应选用适合高温环境的石英晶体切割技术，比如采用XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶体，它能够承受高达350℃的高温。LiNbO3单晶的居里点异常之高，达到了1210℃，这使得它成为制作高温传感器的优选压电材料。

电阻应变式压力传感器通过将电阻应变片牢固地附着在弹性元件的特定部位，一旦力、扭矩、速度、加速度以及流量等物理量对弹性元件施加作用，便会导致元件产生应力和应变的变化。这种变化进一步引发电阻应变片电阻值的改变。经过电路处理后，电阻的变化以电信号的形式被输出，这正是电阻应变片传感器运作的基本原理。

金属电阻应变片和半导体应变片是电阻应变片应用最广泛的两种类型。其中，金属电阻应变片又可细分为丝状应变片和金属箔状应变片。通常情况下，应变片会被用一种特殊的粘合剂牢固地粘贴在能够产生力学应变的基体上。当基体受到力的作用，应力发生变化时，电阻应变片也会随之发生形变。这种形变会导致应变片的阻值发生改变，进而使得施加在电阻上的电压也随之发生变化。这种应变片在承受力作用时，其阻值的变化通常幅度不大；通常这类应变片会被组合成应变电桥；然后，通过后续的仪表放大器进行信号的放大处理；随后，将放大的信号传输至处理电路；该处理电路通常包括A/D转换器和CPU；最终，用于显示或控制执行机构。

半导体应变片，这种敏感元件，是通过半导体单晶硅的压阻效应制造而成的。它主要用于将试件上的应变或弹性敏感元件上感受到的外力进行测量。通过使用不同构型的弹性敏感元件，可以实现对各种物体应力、应变、压力、扭矩、加速度等机械量的测量。与电阻应变片相较，半导体应变片展现出灵敏度显著提升（大约高出50至100倍）、机械响应滞后较低、体积更小巧、能耗较低等多重优势。

电感式压力传感器，这种仪表通过电感线圈电感量的变化来检测压力。

气隙式结构的工作原理涉及被测压力作用于膜片，导致其发生位移；这一位移进而引发差动电感线圈的磁路磁阻变化。具体来说，膜片与磁心之间的气隙，一边会增大，另一边则会减小。这种变化导致电感量在一侧减少，在另一侧增加，从而形成电感差动变化。最终，这种变化通过由电感构成的电桥，输出一个与被测压力成比例的交流电压。此外，差动变压器式结构也是常见的类型之一。体积小巧、结构简洁，具备诸多优势，特别适合在存在振动或冲击的条件下应用。

差动变压器的工作机制在于，侧向压力作用于弹簧管L，导致其产生与压力成正比的位移，进而推动弹簧管末端的铁心移动。这一过程使得差动变压器的两个对称且反向串联的次级绕组失去平衡，从而输出一个与被测压力成正比的电压。此外，该设备还具备输出标准电流信号的功能，可与电动单元组合仪表配合使用，共同构建自动控制系统。

电容式压力传感器

电容式压力传感器通过电容敏感元件将测量的压力转化为相应的电信号输出，这种传感器具有以下特性：输入力小、能耗低，动态响应速度快，自然漂移小，并且具有良好的环境适应性。

它通常选用圆形金属薄膜或是镀有金属的薄膜作为电容器的其中一个电极，当薄膜受到压力发生形变时，薄膜与固定电极之间的电容量会随之改变，这种变化可以通过测量电路转化为与电压成正比的电信号。电容式压力传感器是一种基于极距变化的电容式传感器，它可以细分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器两种类型。

单电容式压力传感器由圆形薄膜和固定电极组成。当薄膜受到压力影响时，会发生形变，进而导致电容器容量的变化。这种传感器的灵敏度与薄膜面积和压力呈正相关，而与薄膜的张力以及薄膜与固定电极之间的距离呈负相关。此外，还有一种类型的固定电极kaiyun官方网站登录入口，其形状为凹形球面，膜片则是一个周边固定的紧绷平面。膜片可以通过塑料镀金属层的方法来制造。此类型传感器适用于低压测量，且具备较强的过载承受能力。此外，通过使用配备活塞动极膜片的单电容式压力传感器，可实现对高压的测量。该设计能够减少膜片直接承受的压力面积，从而允许使用较薄的膜片来提升传感器的灵敏度。同时，该传感器与多种补偿和保护装置以及放大电路集成封装，以增强其抗干扰性能。此类传感器特别适用于动态高压测量以及飞行器的远程监测。单电容式压力传感器涵盖了传声器型（亦称话筒型）以及听诊器型等多种款式。

差动电容式压力传感器的受压膜片电极置于两个固定电极之间，形成两个电容器。当压力施加时，一个电容器的容量会增大，而另一个则相应减小。测量数据通过差动式电路输出。固定电极是通过在凹曲的玻璃表面镀金属层来制作的。在过载情况下，膜片受到凹面的保护，从而避免破裂。差动电容式压力传感器的灵敏度更高，线性度更佳，然而其加工过程较为复杂，尤其是在确保对称性方面存在困难。此外，该传感器无法实现被测气体或液体的隔离，因此在腐蚀性或杂质含量较高的流体环境中使用并不适宜。

谐振式压力传感器

通过谐振元件将测得的压力转化为频率信号的传感器，这类传感器是谐振式传感器应用领域的关键，包括振弦式、振筒式、振膜式以及石英晶体谐振式等多种类型。

当测试的参数发生变动，振动元件的固有振动频率亦会相应调整，借助相应的测量电路，便能够获取与测试参数存在特定关联的电信号。这种方法的优点包括体积小巧、重量轻盈、结构紧密、分辨率优异、精度卓越，以及便于数据的传输、处理和存储等方面。

薄膜压力传感器

溅射薄膜压力传感器运作原理与电阻应变效应相关，与传统的应变式压力传感器遵循相同的科学依据。它们之间的主要不同之处体现在制造工艺上。此类传感器沿用了金属弹性膜片来测量压力的基本原理开元棋官方正版下载，并通过离子束溅射和刻蚀技术，将应变电桥直接集成在金属测压膜上。由于缺乏活动部件，其抗震动和抗冲击性能尤为出色，因而适用于各种恶劣环境。

该传感器以硅和蓝宝石为半导体敏感材料，其计量性能卓越，堪称独一无二。

该压力传感器与变送器由两种钛合金膜片组成，分别是测量膜片和接收膜片。在蓝宝石薄片上，印有对应变敏感的异质外延电桥电路，该薄片被牢固地焊接在测量膜片上。待测压力被传递至接收膜片，而接收膜片与测量膜片之间则通过拉杆连接得非常牢固。在压力的影响下，钛合金的接收膜片发生了形变，这一变化被硅-蓝宝石敏感元件所察觉，随后，敏感元件的电桥输出随之发生改变，而这一改变的幅度与所测量的压力大小呈现出正比关系。

传感器的电路负责为应变电桥电路提供电力，同时将应变电桥产生的失衡信号转化为标准化的电信号输出，具体为0-5、4-20mA或0-5V。在绝压压力传感器及变送器中，蓝宝石薄片与陶瓷基极玻璃焊料紧密结合，充当弹性元件的角色，将所测压力转化为应变片的形变，以此实现压力的测量。

蓝宝石系由单一晶体绝缘体构成，它不经历滞后、疲劳及蠕变等效应；其硬度远超硅，不易发生形变；蓝宝石展现出优异的弹性和绝缘性能（在1000摄氏度以内），故而，采用硅与蓝宝石结合制作的半导体敏感元件对温度变化不敏感，即便在高温环境下，仍能保持出色的性能；蓝宝石具备卓越的抗辐射能力；此外，硅-蓝宝石半导体敏感元件不存在p-n漂移问题，这从本质上简化了制造流程，增强了重复性，并确保了高成品率。

采用硅和蓝宝石半导体技术生产的敏感元件制成的压力传感器与变送器，即便在极端恶劣的工作环境中kaiyun全站网页版登录，也能保持稳定运行。这些设备不仅可靠性强，而且精度高，温度误差极小，同时具备较高的性价比。

压力传感器在工业领域的应用范围极广，然而在使用过程中，它还需应对诸如选型优化、安装检测、故障处理以及零点漂移等一系列挑战，这些问题我们将会逐一进行详细介绍。