压力传感器原理及应用

Answer 1

一、引言
能够测量压力并提供远程电信号的设备统称为压力传感器。压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构形式多种多样。常见类型有应变式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、压电式压力传感器和振动频率式压力传感器。
此外，还有光电、光纤和超声波压力传感器。该压力传感器能将被测压力直接转换成各种形式的电信号，方便满足自动化系统集中检测和控制的要求，因此在工业生产中得到了广泛的应用。
目录
一、引言
二、什么是压力传感器？
三、压力传感器通用术语
四、参数
压力传感器的类型及其原理
5.1应变式压力传感器
5.2压阻式压力传感器
5.3电容式压力传感器
5.4压电压力传感器
5.5感应式压力传感器
5.6霍尔压力传感器
5.7涡流压力传感器
5.8谐振压力传感器
六、压阻式压力传感器的电源及信号处理电路
6.1供电电路
6.2处理电路
七、关于压力传感器的一个问题
7.1问题
7.2回答
八、常见问题
二、什么是压力传感器？
压力传感器（pressure sensor，简称压力传感器）是一种能够感应到压力信号并根据一定的规则将其转换为可用输出电信号的装置。
在谈到压力传感器时，我们必须推导出压力变送器的概念。
传感器通常由敏感元件和转换元件两部分组成。敏感元件是指传感器能直接感受到或响应被测物的部分；转换元件是指传感器的一部分，它将敏感元件感受到的或响应的测量应变转换成适合传输或测量的电信号。
由于传感器的输出信号一般很弱，需要对其进行调制和放大。随着集成技术的发展，人们也将这部分电路和电源等电路安装在传感器内部。这样，传感器可以输出易于处理和传输的有用信号。过去技术相对落后的时候，所谓的传感器是指上面的敏感元件，发送器就是上面的转换元件。
压力传感器通常是指将变化的压力信号转换为相应的电阻或电容信号的敏感元件，例如压阻元件、压阻元件等。压力变送器一般是指由压敏元件和调节回路组成的一套完整的压力测量回路单元。一般可直接输出与压力成线性关系的标准电压信号或电流信号，供仪表、PLC、采集卡等设备直接采集。
图1。压力传感器
三、压力传感器的通用术语
压力是工业生产中的重要参数之一。为了保证生产的正常运行，必须对压力进行监控。以下是选择压力传感器时常用的术语：
（1） 标准压力
以大气压表示的压力大于大气压称为正压；低于大气压的压力称为负压。
（2） 绝对压力
压力以绝对真空表示。
（3） 相对压力
比较对象的压力大小（标准压力）。
（4） 大气压力
指大气压力。标准大气压力（1atm）相当于760mm汞柱的压力。
（5） 真空
指低于大气压的压力状态。1托=1/760气压（atm）。
（6） 检测压力计
指传感器的适应压力范围。
（7） 能承受压力
当试验压力恢复时，性能可以承受压力而不会退化。
（8） 圆精度
在特定温度（23°C）下，当压力升高或降低时，通过将输出反向压力值除以检测压力的满标度值得到工作点的压力波动值。
（9） 准确度
在特定温度（23°C）下，当添加零压力和额定压力时，通过将偏离输出电流规定值（4mA，20mA）的值与满量程值一起移除而获得的值。单位以%FS表示。
（10） 线性的
模拟输出随检测压力线性变化，但偏离理想直线。将此偏差表示为满标度值的百分比称为线性。
（11） 滞后（线性）
用零电压和额定电压在输出电流（或电压）值之间画一条理想直线，找出电流（或电压）值和理想电流（或电压）值之间的差值作为误差，然后找出压力上升和下降时间误差值。通过将满标度电流（或电压）值除以上述差值绝对值的最大值得到的值即为滞后。单位以%FS表示。
（12） 迟滞
通过将输出ON点压力和OFF点压力之间的差值除以压力的满刻度值得到的值为滞后。
（13） 非腐蚀性
指空气中含有的物质（氮、二氧化碳等）和惰性气体（氩、氖等）。
图2。压力传感器
四、参数
压力传感器有很多种，它们的性能也有很大的不同。如何选择更合适的传感器进行经济合理的使用？
（1） 额定压力范围
额定压力范围是指符合标准规定值的压力范围。也就是说，在最高和最低温度之间，传感器输出压力范围满足规定的工作特性。在实际应用中，传感器测得的压力在此范围内。
（2） 最大压力范围
最大压力范围是指传感器能够长期承受的最大压力，而不会导致输出特性的永久性变化。特别是对于半导体压力传感器，为了提高线性度和温度特性，额定压力范围通常会大大减小。因此，即使在额定压力以上持续使用，也不会损坏。通常，最大压力为额定压力最高值的2-3倍。
（3） 损伤压力
损坏压力是指在不损坏传感器元件或传感器壳体的情况下可施加到传感器上的最大压力。
（4） 线性
线性是指工作压力范围内传感器输出和压力之间线性关系的最大偏差。
（5） 压力系统
它是在室温和工作压力范围内，当最小工作压力和最大工作压力接近一定压力时，传感器输出之间的差值。
（6） 温度变化
压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于应用了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是确保压力传感器正常工作的温度范围。
图3。微型压力传感器
V压力传感器的类型及其原理5.1应变计压力传感器
5.1.1应变计压力传感器的定义和组成
应变式压力传感器是通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。根据材料的不同，应变元件可分为两类：金属和半导体。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，电阻值将发生变化。
5.1.2应变计压力传感器的工作原理
当金属线受到外力时，其长度和横截面积会发生变化，其电阻值也会发生变化。如果金属线被外力拉长，其长度将增加，而横截面积将减小，电阻值将增加。大的当金属线被外力压缩时，长度减小，横截面增大，电阻值减小。只要测量电阻两端电压的变化，就可以得到应变导线的应变。
图4应变式压力传感器
5.2压阻式压力传感器
5.2.1压阻式压力传感器的定义
压阻式压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料受力后，电阻率发生变化，通过测量电路可以获得与力的变化成比例的电信号输出。它也被称为扩散硅压阻式压力传感器。它不同于粘着应变计，粘着应变计需要通过弹性敏感元件间接感应外力，但通过硅膜片直接感应测量压力。
5.2.2压阻式压力传感器的原理压阻效应
压阻式压力传感器主要基于压阻效应。压阻效应用于描述材料在机械应力下的电阻变化。与压电效应不同，压阻效应只产生阻抗变化，不产生电荷。
大多数金属材料和半导体材料都具有压阻效应。其中，半导体材料的压阻效应远大于金属材料的压阻效应。由于硅是当今集成电路的主要原材料，硅压阻元件的应用变得非常有意义。硅的电阻变化不仅来自于与应力相关的几何变形，还来自于材料本身与应力相关的电阻，这使其度因子比金属大数百倍。
N型硅的电阻变化主要是由于其三个导带谷对的位移导致载流子在不同迁移率的导带谷之间重新分布，从而导致电子的迁移率在不同的流动方向上发生变化。第二个原因是由于导带谷形状的变化导致的无效质量的变化。在P型硅中，这种现象变得更加复杂，并导致等效质量变化和空穴转换。
压阻式压力传感器通常通过导线连接到惠斯通电桥。正常情况下，敏感芯没有外部压力，电桥处于平衡状态（称为零位）。当传感器压力改变时，芯片电阻改变，电桥将失去平衡。如果向电桥添加恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力相对应的电压信号，从而将传感器的电阻变化转换为电桥输出的压力信号。电桥检测电阻值的变化，经过放大后，通过电压和电流的转换，转换成相应的电流信号，由非线性校正回路进行补偿，即输入电压与4～20mA标准输出信号的关系为线性对应。
为了减小温度变化对铁芯电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器采用温度补偿措施，保持高水平的零漂、灵敏度、线性、稳定性等技术指标。
图5。压阻式压力传感器
5.3电容式压力传感器
5.3.1电容式压力传感器的定义和原理
电容式压力传感器是一种压力传感器，它使用电容作为敏感元件，将测量的压力转换为电容值的变化。这种类型的压力传感器通常使用圆形金属膜或金属镀膜作为电容器的电极。当薄膜因压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容发生变化。具有某种关系的电信号。
5.3.2电容式压力传感器的分类
电容式压力传感器是具有可变极距的电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
（1） 单容式压力传感器
它由一个圆形薄膜和一个固定电极组成。膜在压力的影响下变形，从而改变电容器的容量。其灵敏度大致与膜面积和压力成正比，与膜张力和膜到固定电极的距离成反比。
另一种固定电极为凹球面，膜片为固定在周边的张力面。膜片可以通过镀一层塑料金属层制成。这种类型适用于测量低电压，并具有高过载能力。测量高压的单电容压力传感器也可以由带有活塞的动极膜片制成。这种类型可以减少发动机的直接压缩面积膜片，以便使用更薄的膜片来提高灵敏度。它还封装了各种补偿和保护部件以及放大电路，以提高抗干扰能力。这种传感器适用于测量飞机的动态高压和遥测。单电容压力传感器也有传声器型（即传声器型）和听诊器型。
（2） 差动电容式压力传感器
差动电容式压力传感器的承压膜片电极位于两个固定电极之间，形成两个电容器。在压力的作用下，一个电容器的容量增大，另一个电容器的容量相应减小。测量结果由差动电路输出。它的固定电极是在凹曲面玻璃表面镀上一层金属。过载时，膜片受凹面保护，不会断裂。
差动电容式压力传感器比单一电容式压力传感器具有更高的灵敏度和更好的线性度，但其加工难度更大（尤其难以确保对称性），且无法实现被测气体或液体的隔离，因此不适合在腐蚀性或杂质流体中工作。
图6电容式压力传感器
5.4压电式压力传感器
压电式压力传感器主要基于压电效应（压电效应），它利用电气元件和其他机械将要测量的压力转换为电能，然后执行相关的测量工作。精密仪器，如许多压力变送器和压力传感器。
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
（1） 正外电效应
当晶体在固定方向上受到外力时，内部会发生电极化现象，并在某些两个表面上产生与符号相反的电荷；当外力被消除时，晶体恢复到不带电状态；当它改变时，电荷的极性也随之改变；晶体力产生的电荷量与外力的大小成正比。大多数压电传感器都是利用正压电效应制成的。
（2） 逆表电效应
逆压电效应是指向晶体施加交变电场以引起晶体机械变形的现象，也称为电致伸缩效应。具有逆压电效应的换能器可用于电声和超声工程。压电变形有五种基本形式：厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切和平面剪切。压电晶体是各向异性的，并非所有的晶体都能在这五种状态下产生压电效应。例如，石英晶体没有体积变形的压电效应，但具有厚度变形和长度变形的良好压电效应。
图7。压电压力传感器
5.5感应式压力传感器
电磁式压力传感器是利用电磁原理的各种传感器的总称，主要包括电感式压力传感器、霍尔式压力传感器、涡流式压力传感器等。
感应式压力传感器的工作原理是由于不同的磁性材料和磁导率。当压力作用在膜片上时，气隙的大小会发生变化。气隙的变化影响线圈电感的变化。输出相应的信号，从而达到测量压力的目的。这种压力传感器根据磁路的变化可分为两种类型：可变磁阻和可变磁导率。
（1） 可变磁阻压力传感器的主要部件是铁芯和膜片。它们之间的气隙形成磁路。当有压力时，气隙的大小发生变化，即磁阻发生变化。如果在铁芯线圈上施加一定的电压，电流将随着气隙的变化而变化，从而测量压力。
（2） 在高磁通密度的情况下，铁磁材料的磁导率是不稳定的。在这种情况下，可使用可变渗透率压力传感器进行测量。可变磁导率压力传感器用可移动的磁性元件代替铁芯。压力的变化引起磁性元件的移动，磁导率变化，从而获得压力值。
图8。感应式压力传感器
5.6霍尔压力传感器
霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体置于磁场中且电流通过时，导体中的载流子被洛伦兹力偏压到一侧，然后产生电压（霍尔电压）的现象。电压产生的电场力将平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可以确定导体内的电流是由带负电粒子（自由电子）的运动引起的。
在导体上施加垂直于电流方向的磁场，会使导线中的电子被洛伦兹力聚集，从而在电子集中的方向上产生电场。这个电场将使随后的电子被电平衡。磁场产生的洛伦兹力使随后的电子平稳通过而不漂移。这就是所谓的霍尔效应。产生的内置电压称为霍尔电压。
图9。霍尔效应传感器
5.7涡流压力传感器
压力传感器基于DDY电流效应。涡流效应是由移动磁场与金属导体的交叉或移动金属导体与磁场的垂直交叉引起的。简而言之，它是由电磁感应效应引起的。此动作产生在导体中循环的电流。
涡流特性使涡流检测具有零频率响应等特性，因此涡流压力传感器可用于静力检测。
图10。涡流探头
5.8谐振式压力传感器
谐振压力传感器是一种压力传感器，它使用谐振元件将测量的压力转换为频率信号。谐振式压力传感器的重要应用有振弦式压力传感器、振筒式压力传感器、膜片式压力传感器和石英晶体谐振式压力传感器。
当被测参数改变时，振动元件的固有振动频率也随之改变。通过相应的测量电路，可以得到与被测参数有一定关系的电信号。
图11。谐振式压力传感器
VI压阻式压力传感器的电源和信号处理电路6.1电源电路
压阻式传感器可以由恒压源或恒流源供电。然而，与恒流源相比，存在着环境温度的影响无法消除的问题。
图12。电源电路
假设四个扩散电阻的初始电阻均相等，且R为R，则当有应力时，两个扩散电阻的电阻以△R、 另外两个电阻减小△R、 由于温度的影响，每个小电阻值都有△RT. 因此，电桥的输出：
在恒定压力下：
可以看出，输出电压V与温度有关，并且是非线性的，所以当采用恒压电源供电时，温度的影响无法消除。在恒定电流中五=我 HeR .
可以看出，输出电压V与温度有关，并且是非线性的，因此当由恒压源供电时，温度的影响无法消除。在恒定电流下，V=I△R
这表明输出电压V与温度无关，从而消除了温度对传感器输出信号的影响。因此，可以使用下图所示的恒流源电源电路，该电路使用双电源，以避免共模干扰。电流I0=215/R的稳定性取决于参考电压源1403和电阻R的稳定性。
图13。电路
6.2处理电路
压阻式传感器的满标度输出信号范围为70～350mV，输出阻抗很高。这就要求放大器电路必须具有较高的输入阻抗，并且不吸收来自传感器输出的电流，以避免破坏传感器的工作状态。下面介绍放大器的电路。
图14。处理电路
该电路具有高输入阻抗、高共模抑制比和开环增益；偏移电流、电压、噪声和漂移都很小。图中A 1、A 2构成同相并联差动放大器的第一级，该级放大输出为V0′=V01-V02=
Vi、A1、A2。输入端不吸收电流，电路结构对称。漂移和偏移相互抵消，具有抑制共模信号干扰的能力；a3构成差分放大的第二阶段，以增加放大系数。为了有效抑制共模信号干扰，电路必须具有R3=R4=R、R5=R6=Rf，并且放大器的总输出为
调整电位计W以改变放大器的增益，让R1=R2，然后V0=-（Rf/R）
Vi。
七、关于压力传感器的一个问题7.1问题
哪个传感器测量相对于完美真空的压力？
a） 绝对压力传感器
b） 表压传感器
c） 真空压力传感器
d） 压差传感器
7.2回答
答案：
a）绝对压力传感器
说明：
压力传感器可根据其测量的压力范围、工作温度范围以及最重要的测量压力类型进行分类。绝对压力传感器是测量相对于完美真空的压力的传感器。
八、常见问题
1压力传感器的原理是什么？
压力传感器有一个恒定面积的传感元件，并对流体压力施加在该区域的力作出响应。施加的力将使压力传感器内的隔膜偏转。测量内隔膜的偏转并将其转换为电输出。
2你说的压力传感器是什么意思？
压力传感器是能够测量气体或液体中压力的装置或仪器。压力传感器由一个可以确定施加压力的压力敏感元件和将信息转换为输出信号的部件组成。
3压力传感器是模拟的还是数字的？
压力传感器将产生与施加压力成比例的模拟输出信号。这些压力传感器用于不同类型的应用，例如用于产生电荷的压电板或压电传感器。
4压力传感器应该用在哪里？
压力传感器广泛应用于汽车、医疗、工业、消费品和建筑等领域，其可靠运行依赖于准确、稳定的压力测量。
5静压传感器是如何工作的？
静压传感器是一种压差传感器，用于监测建筑物内外压差。在通风系统中，静压是指当排气扇打开时，建筑物内的空气相对于外部空气压力所施加的压力。
6压力传感器检测到什么？
压力传感器是一种电子装置，它检测、调节或监测压力，并将感知到的物理数据转换为电子信号。
7压力传感器的缺点是什么？
电容式压力传感器的缺点包括对较低的静电放电（ESD）电压敏感，并且由于制造量较小而成本较高。
8压力开关和压力传感器有什么区别？
压力开关用于系统中，以确保机器及其操作员的安全，而传感器只是将压力读数中继到远程位置。
9压力传感器的稳定性如何？
压力传感器的长期稳定性由传感器校准间隔期间零点和量程值的最大可接受变化来定义。简言之，对于一个被认为是稳定的传感器，它应该在校准间隔内保持其测量值的极低漂移。
10如何使用压力传感器？
压力将导致膜片偏转，使膜片另一侧的惠斯通电桥产生应力，并产生mV/V输出。然后，该毫伏信号被能够接收毫伏信号的设备读取，或者被读入放大器或信号调节器以进行进一步的信号处理。