一文讀懂壓力感測器的原理和分類 - ITW01

壓力感測器的種類繁多，如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器 ... ITW01 數碼 技術 安全 科技 設計 感測器技術mp 2017-11-0109:44:00 頻道：科技 文章摘要：擴散矽壓阻式壓力感測器、陶瓷壓阻壓力感測器、濺射薄膜壓力感測器、電容壓力感測器、耐高溫特性的藍寶石壓力感測器如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器等 科技. 一文讀懂壓力感測器的原理和分類（必須收藏） 科技. 一文讀懂壓力感測器的原理及分類 財經. 一文讀懂新零售的前世今生：馬雲和張勇到底是怎麼想的？｜新零售智庫 原標題：一文讀懂壓力感測器的原理和分類 人類社會環境中，壓力無處不在啊，所以壓力感測器自然成爲了工業實踐中最為常用的一種感測器，其廣泛應用於各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智慧建築、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業。

壓力感測器 壓力感測器是將壓力轉換為電訊號輸出的感測器。

在講述壓力感測器的同時，我們必須匯出壓力變送器的概念。

通常感測器由兩部分組成，即分別是敏感元件和轉換元件。

其中敏感元件是指感測器中能夠直接感受或響應被測量的部分；轉換元件是指感測器中將敏感元件感受或響應的被測量的應變轉換成適於傳輸或測量的電訊號部分。

由於感測器的輸出訊號一般很微弱，需要將其調製與放大。

隨著整合技術的發展，人們又將這部分電路及電源等電路也一起裝在感測器內部。

這樣，感測器就可以輸出便於處理，傳輸的可用訊號了。

而在以前技術相對落後時，所謂的感測器是指上文中的敏感元件，而變送器就是上文中的轉換元件。

壓力感測器一般是指將變化的壓力訊號轉換成對應變化的電阻訊號或電容訊號的敏感元件，如：壓阻元件，壓容元件等。

而壓力變送器一般是指，壓敏元件與調理電路共同組成的測量壓力的整套電路單元，一般能直接輸出與壓力成線性關係的標準電壓訊號或電流訊號，供儀表、PLC、採集卡等裝置直接採集。

壓力感測器的分類 壓力感測器的種類繁多，如電阻應變片壓力感測器、半導體應變片壓力感測器、壓阻式壓力感測器、電感式壓力感測器、電容式壓力感測器、諧振式壓力感測器等。

目前應用較為廣泛的壓力感測器有：擴散矽壓阻式壓力感測器、陶瓷壓阻壓力感測器、濺射薄膜壓力感測器、電容壓力感測器、耐高溫特性的藍寶石壓力感測器。

但應用最為廣泛的是壓阻式壓力感測器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

各種壓力感測器的原理 壓阻式壓力感測器 這種感測器採用整合工藝將電阻條整合在單晶矽膜片上,製成矽壓阻晶片,並將此晶片的周邊固定封裝於外殼之內，引出電極引線。

提到壓阻式感測器，首先得講到它的原理——壓阻效應。

壓阻效應是用來描述材料在受到機械式應力下所產生的電阻變化。

不同於壓電效應，壓阻效應只產生阻抗變化，並不會產生電荷。

原理圖如上，當壓力變化時，電阻R1,R2,R3,R4發生變化，從而引發載入在電阻中間的電壓發生變化，這種變化反映出壓力值。

壓阻式感測器又稱為擴散矽壓阻式壓力感測器，被測介質的壓力直接作用於感測器的膜片上（不鏽鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使感測器的電阻值發生變化，和用電子線路檢測這一變化，並轉換輸出一個對應於這一壓力的標準測量訊號。

陶瓷壓力感測器 抗腐蝕的陶瓷壓力感測器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連線成一個惠斯通電橋（閉橋），由於壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電壓訊號，標準的訊號根據壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和應變式感測器相相容。

通過鐳射標定，感測器具有很高的溫度穩定性和時間穩定性，感測器自帶溫度補償0～70℃，並可以和絕大多數介質直接接觸。

陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗衝擊和振動的材料。

陶瓷的熱穩定特性及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度範圍高達-40～135℃，而且具有測量的高精度、高穩定性。

電氣絕緣程度2kV，輸出訊號強，長期穩定性好。

壓電式壓力感測器 壓電式壓力感測器原理基於壓電效應。

壓電效應是某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對錶面上出現正負相反的電荷。

當外力去掉後，它又會恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。

當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。

相反，當在電介質的極化方向上施加電場，這些電介質也會發生變形，電場去掉後，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。

壓電式壓力感測器的種類和型號繁多，按彈性敏感元件和受力機構的形式可分為膜片式和活塞式兩類。

膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成。

壓電元件支撐於本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電元件輸出與被測壓力成一定關係的電訊號。

這種感測器的特點是體積小、動態特性好、耐高溫等。

現代測量技術對感測器的效能出越來越高的要求。

例如用壓力感測器測量繪製內燃機示功圖，在測量中不允許用水冷卻，並要求感測器能耐高溫和體積小。

壓電材料最適合於研製這種壓力感測器。

石英是一種非常好的壓電材料，壓電效應就是在它上面發現。

比較有效的辦法是選擇適合高溫條件的石英晶體切割方法,例如XYδ（+20°～+30°）割型的石英晶體可耐350℃的高溫。

而LiNbO3單晶的居里點高達1210℃，是製造高溫感測器的理想壓電材料。

電阻應變式壓力感測器 將電阻應變片貼上在彈性元件特定表面上，當力、扭矩、速度、加速度及流量等物理量作用於彈性元件時，會導致元件應力和應變的變化，進而引起電阻應變片電阻的變化。

電阻的變化經電路處理後的以電訊號的方式輸出，這就是電阻應變片感測器的工作原理。

電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。

金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。

通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。

這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，並通過後續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D轉換和CPU）顯示或執行機構。

半導體應變片是利用半導體單晶矽的壓阻效應制成的一種敏感元件。

半導體應變片需要貼上在試件上測量試件應變或貼上在彈性敏感元件上間接地感受被測外力。

利用不同構形的彈性敏感元件可測量各種物體的應力、應變、壓力、扭矩、加速度等機械量。

半導體應變片與電阻應變片相比，具有靈敏係數高（約高50～100倍）、機械滯後小、體積小、耗電少等優點。

電感式壓力感測器 電感式壓力感測器是用電感線圈電感量變化來測量壓力的儀表。

常見的有氣隙式和差動變壓器式兩種結構形式。

氣隙式的工作原理是被測壓力作用在膜片上使之產生位移，引起差動電感線圈的磁路磁阻發生變化，這時膜片距磁心的氣隙一邊增加，另一邊減少，電感量則一邊減少.另一邊增加，由此構成電感差動變化，通過電感組成的電橋輸出一個與被測壓力相對應的交流電壓。

具有體積小、結構簡單等優點，適宜在有振動或衝擊的環境中使用。

差動變壓器式的工作原理是被側壓力作用在彈簧管_L，使之產生與壓力成正比的位移，同時帶動連線在彈簧管末端的鐵心移動，使差動變壓器的兩個對稱的和反向串接的次級繞組失去平衡，輸出一個與被測壓力成正比的電壓.也可以輸出標準電流訊號與電動單元組合儀表聯用構成自動控制系統。

電容式壓力感測器 電容式壓力感測器是利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關係的電量輸出的壓力感測器。

特點是，低的輸入力和侏儒能量，高動態響應，小的自然效應，環境適應性好。

它一般採用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關係的電訊號。

電容式壓力感測器屬於極距變化型電容式感測器，可分為單電容式壓力感測器和差動電容式壓力感測器。

單電容式壓力感測器 它由圓形薄膜與固定電極構成。

薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。

另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成。

這種型式適於測量低壓，並有較高過載能力。

還可以採用帶活塞動極膜片製成測量高壓的單電容式壓力感測器。

這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便採用較薄的膜片提高靈敏度。

它還與各種補償和保護部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。

這種感測器適於測量動態高壓和對飛行器進行遙測。

單電容式壓力感測器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。

差動電容式壓力感測器 它的受壓膜片電極位於兩個固定電極之間,構成兩個電容器。

在壓力的作用下一個電容器的容量增大而另一個則相應減小，測量結果由差動式電路輸出。

它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而製成。

過載時膜片受到凹面的保護而不致破裂。

差動電容式壓力感測器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對稱性），而且不能實現對被測氣體或液體的隔離，因此不宜於工作在有腐蝕性或雜質的流體中。

諧振式壓力感測器 利用諧振元件把被測壓力轉換成頻率訊號的壓力感測器。

它是諧振式感測器的重要應用方面，主要有振弦式壓力感測器、振筒式壓力感測器、振膜式壓力感測器和石英晶體諧振式壓力感測器。

當被測參量發生變化時，振動元件的固有振動頻率隨之改變，通過相應的測量電路，就可得到與被測參量成一定關係的電訊號。

其優點是體積小、重量輕、結構緊湊、解析度高、精度高以及便於數據傳輸、處理和儲存等。

薄膜壓力感測器 濺射薄膜壓力感測器也是利用電阻應變效應工作的，與傳統應變式壓力感測器屬於同一原理。

兩者的主要差別製作工藝上。

濺射薄膜壓力感測器延用了測量壓力的金屬彈性膜片原理，應用離子束濺射和刻蝕工藝，將應變電橋直接製作在金屬測壓膜上，由於沒有活動部件，抗震動和抗衝擊能力很強，可用於惡劣的環境。

藍寶石壓力感測器 採用矽-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量特性。

表壓壓力感測器和變送器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。

印刷有異質外延性應變靈敏電橋電路的藍寶石薄片，被焊接在鈦合金測量膜片上。

被測壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連線在一起）。

在壓力的作用下，鈦合金接收膜片產生形變，該形變被矽-藍寶石敏感元件感知後，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與被測壓力成正比。

感測器的電路能夠保證應變電橋電路的供電，並將應變電橋的失衡訊號轉換為統一的電訊號輸出（0-5，4-20mA或0-5V）。

在絕壓壓力感測器和變送器中，藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連線在一起，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉換為應變片形變，從而達到壓力測量的目的。

藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成，不會發生滯後、疲勞和蠕變現象；藍寶石比矽要堅固，硬度更高，不怕形變；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000OC以內），因此，利用矽-藍寶石製造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著很好的工作特性；藍寶石的抗輻射特性極強；另外，矽-藍寶石半導體敏感元件，無p-n漂移，因此，從根本上簡化了製造工藝，提高了重複性，確保了高成品率。

用矽-藍寶石半導體敏感元件製造的壓力感測器和變送器，可在最惡劣的工作條件下正常工作，並且可靠性高、精度好、溫度誤差極小、價效比高。

壓力感測器在工業應用中最為廣泛，它同時還面臨著選型優化、安裝檢測、故障排除、零點漂移等使用的問題，我們將為大家一一道來。

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