多種壓力傳感器的介紹及工作原理說明

壓電壓力傳感器。

壓電式壓力傳感器主要是基于壓電效應(yīng)，利用電氣元件等機(jī)械將待測壓力轉(zhuǎn)化為電能，然后進(jìn)行相關(guān)的測量工作，如很多壓力變送器、壓力傳感器等。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因?yàn)橹挥挟?dāng)回路具有無窮大的輸入阻抗時(shí)，外力作用后的電荷才能被保留。但事實(shí)并非如此。因此，壓電傳感器只能用于動態(tài)測量。其主要壓電材料有:磷酸二氫鹽、酒石酸鉀鈉和應(yīng)時(shí)。應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。

當(dāng)應(yīng)力變化時(shí)，電場變化很小，其他壓電晶體會取代應(yīng)時(shí)。酒石酸鉀鈉具有很大的壓電系數(shù)和壓電靈敏度，只能在室內(nèi)濕度和溫度較低的地方使用。磷酸二氫鹽是一種人工晶體，可用于高濕度和高溫環(huán)境，因此應(yīng)用廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓電效應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用到多晶材料中。例如，壓電陶瓷、鈮酸鎂壓電陶瓷、鈮酸鹽壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷都包括在內(nèi)。

基于壓電效應(yīng)的傳感器有機(jī)電轉(zhuǎn)換傳感器和自發(fā)電傳感器。其敏感元件由壓電材料制成，當(dāng)壓電材料受到外力作用時(shí)，其表面會形成電荷，經(jīng)電荷放大器和測量電路放大、阻抗變換后，轉(zhuǎn)化為與外力成正比的電輸出。它用于測量力和可以轉(zhuǎn)化為力的非電氣物理量，如加速度和壓力。

它具有重量輕、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比高、靈敏度高、信號帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。但是它也有一些缺點(diǎn):有些電壓材料是防潮的，所以需要采取一系列防潮措施，輸出電流的響應(yīng)較差，需要用電荷放大器或者高輸入阻抗電路來彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，這樣儀器才能更好的工作。

壓阻壓力傳感器。

壓阻式壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)用于描述材料在機(jī)械應(yīng)力下的電阻變化。與上述壓電效應(yīng)不同，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化，不產(chǎn)生電荷。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)金屬材料和半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)。其中，半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)大于金屬中的壓阻效應(yīng)。由于硅是當(dāng)今主要的集成電路，硅壓阻元件的應(yīng)用變得非常有意義。電阻的變化不僅來自于與應(yīng)力相關(guān)的幾何變形，還來自于材料本身的應(yīng)力相關(guān)電阻，使得其度因子比金屬大幾百倍。N型硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)帶谷對的位移導(dǎo)致載流子在不同遷移率的導(dǎo)帶谷之間重新分布，進(jìn)一步改變了電子在不同流向的遷移率。其次，由于等效質(zhì)量的變化與導(dǎo)帶谷形狀的變化有關(guān)。在p型硅中，這一現(xiàn)象變得更加復(fù)雜，也導(dǎo)致了等效質(zhì)量和空穴轉(zhuǎn)換的變化。

壓阻式壓力傳感器通常通過導(dǎo)線連接到惠斯通電橋。平時(shí)敏感芯上沒有施加壓力，電橋處于平衡狀態(tài)(稱為零位)。當(dāng)傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋就會失去平衡。如果給電橋加一個(gè)恒流或恒壓電源，電橋就會輸出一個(gè)與壓力相對應(yīng)的電壓信號，使傳感器的電阻變化通過電橋轉(zhuǎn)換成壓力信號并輸出。電橋檢測電阻值的變化，放大后通過電壓電流轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號。電流信號由非線性校正回路補(bǔ)償，產(chǎn)生輸入電壓線性對應(yīng)的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號。

為了減少溫度變化對鐵芯電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器采用溫度補(bǔ)償措施，使其零點(diǎn)漂移、靈敏度、線性度和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持在較高水平。

電容式壓力傳感器。

電容式壓力傳感器是一種以電容為敏感元件，將被測壓力轉(zhuǎn)換成電容變化的壓力傳感器。這種壓力傳感器通常使用圓形金屬膜或金屬鍍膜作為電容器的電極。當(dāng)薄膜被壓力變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容發(fā)生變化，通過測量電路可以輸出與電壓有一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距可變電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。

單個(gè)電容式壓力傳感器由圓形薄膜和固定電極組成。薄膜在壓力下變形，從而改變電容器的容量。它的靈敏度與膜的面積和壓力近似成正比，與膜的張力和膜與固定電極之間的距離成反比。另一種固定電極為凹球面形狀，振膜為周邊固定的張力平面，可由塑料鍍金屬層制成。這種類型適用于測量低壓，并具有高過載能力。它也可以制成單個(gè)電容式壓力傳感器，通過使用帶有活塞移動極的隔膜來測量高壓。這種類型可以減少隔膜的直接壓力面積，從而使用更薄的隔膜來提高靈敏度。為了提高抗干擾能力，它還與各種補(bǔ)償保護(hù)部件和放大電路封裝在一起。該傳感器適用于測量動態(tài)高壓和遙測飛機(jī)。還有麥克風(fēng)型(麥克風(fēng)型)和聽診器型的單電容式壓力傳感器。

差動電容式壓力傳感器的受壓隔膜電極位于兩個(gè)固定電極之間，形成兩個(gè)電容。在壓力的作用下，一個(gè)電容的電容增大，而另一個(gè)電容的電容相應(yīng)減小，測量結(jié)果由差動電路輸出。它的固定電極是在凹面玻璃表面鍍金屬層制成的。過載時(shí)，膜片受凹面保護(hù)，不會斷裂。差動電容式壓力傳感器比單電容式壓力傳感器具有更高的靈敏度和更好的線性度，但加工困難(特別是保證對稱性)，不能隔離被測氣體或液體，因此不適合在腐蝕性或雜質(zhì)流體中工作。

電磁壓力傳感器。

基于電磁原理的各種傳感器統(tǒng)稱為感應(yīng)壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、渦流壓力傳感器等。

感應(yīng)壓力傳感器。

感應(yīng)式壓力傳感器的工作原理是，由于磁性材料和磁導(dǎo)率的不同，當(dāng)壓力作用在膜片上時(shí)，氣隙大小發(fā)生變化，氣隙的變化影響線圈電感的變化。處理電路可以將電感的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號輸出，從而達(dá)到測量壓力的目的。根據(jù)磁路的變化，壓力傳感器可分為變磁阻和變磁導(dǎo)率兩種類型。感應(yīng)式壓力傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，測量范圍寬。缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于高頻動態(tài)環(huán)境。

可變磁阻壓力傳感器的主要部件是鐵芯和膜片。它們之間的氣隙形成了磁路。有壓力時(shí)，氣隙變化，也就是磁阻變化。如果在鐵芯線圈上施加一定的電壓，電流會隨著氣隙的變化而變化，從而測量壓力。

當(dāng)磁通密度較高時(shí)，鐵磁材料的磁導(dǎo)率不穩(wěn)定，可以用變磁導(dǎo)率壓力傳感器來測量?？勺兇艑?dǎo)率壓力傳感器使用可移動的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動，從而磁導(dǎo)率發(fā)生變化，從而獲得壓力值。

霍爾壓力傳感器。

霍爾壓力傳感器是基于一些半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是指固體導(dǎo)體置于磁場中，有電流通過時(shí)，導(dǎo)體中的電荷載流子被洛倫茲力偏置到一側(cè)，進(jìn)而產(chǎn)生電壓(霍爾電壓)的現(xiàn)象。電壓引起的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可以證明導(dǎo)體內(nèi)部的電流是由帶負(fù)電的粒子(自由電子)運(yùn)動引起的。

對導(dǎo)體施加垂直于電流方向的磁場，會使導(dǎo)體中的電子受到洛倫茲力的作用而聚集，從而產(chǎn)生電子聚集方向的電場。這個(gè)電場會使后面的電子在電力的作用下，平衡磁場產(chǎn)生的洛侖茲力，使后面的電子可以順利通過而不產(chǎn)生偏差，這就是所謂的霍爾效應(yīng)。產(chǎn)生的內(nèi)置電壓稱為霍爾電壓。

磁場為交變磁場時(shí)，霍爾電動勢也是同頻率的交變電動勢，建立霍爾電動勢的時(shí)間極短，因此其響應(yīng)頻率高。理想霍爾元件的材料需要更高的電阻率和載流子遷移率，以獲得更大的霍爾電動勢。常用霍爾元件的材料大多是半導(dǎo)體，包括n型硅(si)、銻化銦(InSb)、砷化銦(InAs)、鍺(ge)、砷化鎵(GaAs)和多層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料。n型硅具有良好的霍爾系數(shù)、溫度穩(wěn)定性和線性度，而砷化鎵具有較小的溫度漂移。

渦流壓力傳感器。

基于渦流效應(yīng)的壓力傳感器。渦流效應(yīng)是由運(yùn)動磁場和金屬導(dǎo)體的相交引起的，或者是由運(yùn)動金屬導(dǎo)體和磁場的垂直相交引起的。總之是電磁感應(yīng)效應(yīng)造成的。這個(gè)動作會在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。

渦流特性使渦流檢測具有零頻率響應(yīng)，因此渦流壓力傳感器可用于靜電力檢測。

振弦壓力傳感器。

振弦式壓力傳感器是一種頻率敏感型傳感器，由于時(shí)間和頻率是可以精確測量的物理參數(shù)，在頻率信號的傳輸過程中可以忽略電纜電阻、電感、電容等因素的影響，因此具有較高的精度。同時(shí)，振弦壓力傳感器還具有抗干擾能力強(qiáng)、零點(diǎn)漂移小、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲方便、易于實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，因此振弦壓力傳感器也可以成為傳感技術(shù)的發(fā)展方向之一。

振弦式壓力傳感器的敏感元件是繃緊的鋼繩，敏感元件的固有頻率與張力有關(guān)。弦的長度是固定的，弦振動頻率的變化可以用來測量張力，即輸入是力信號，輸出是頻率信號。振弦壓力傳感器由上下兩部分組成，下部主要由敏感元件組成。上部組件為鋁殼，內(nèi)裝電子模塊和接線端子，分為兩個(gè)腔室，接線時(shí)不會影響電子模塊腔室的密封性。

振弦式壓力傳感器可選擇電流輸出型和頻率輸出型。當(dāng)振弦壓力傳感器工作時(shí)，振弦以其共振頻率振動。當(dāng)測得的壓力改變時(shí)，頻率也會改變。這個(gè)頻率信號可以通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4~20mA的電流信號。

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