壓力傳感器的工作原理

　　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)，利用電氣元件等釩械將侍則壓力轉(zhuǎn)化為電能，然后進(jìn)行相關(guān)的測(cè)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)漢量，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(dòng)態(tài)測(cè)量。其主要壓電材料有磷酸二氫鹽、酒石酸鉀鈉和應(yīng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。

　　當(dāng)應(yīng)力變化時(shí)，電場(chǎng)變化很小，其他壓電晶體會(huì)取代應(yīng)時(shí)。酒石酸押納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、銅酸鎂壓電陶瓷、銀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。其敦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(huì)形成電荷，經(jīng)電荷放大器和現(xiàn)星電路放大、阻抗變換后，轉(zhuǎn)化為與外力成正比的電輸出。它用于測(cè)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、工作何可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高、靈敏度高、信號(hào)帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。但是它也有一些缺點(diǎn)有些電壓材料是防解的，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。電狙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。下巴硅的電阻變化主要是由于其三個(gè)導(dǎo)滯谷對(duì)的位移導(dǎo)致載流子在不同遷移率的寫帶谷之間重?cái)喾植?進(jìn)法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(huì)失去平衡。如果給電橋加一個(gè)恒流或恒壓電源，電橋就會(huì)輸出一個(gè)與壓力相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，使傳感器的電阻變化通過電標(biāo)轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)并輸出。電標(biāo)檢爾電阻值的變化，放大后通過電壓電流轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成租應(yīng)的電流信號(hào)，電潔信號(hào)由非線性校正回路補(bǔ)償，產(chǎn)生輸入電壓線性對(duì)應(yīng)的4~20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。

　　為了減少溫度變化對(duì)鐵芯電阻值的影響，提高測(cè)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(cè)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琪作為電容器的電極。當(dāng)薄膜被壓力變形時(shí)，薄膜與固定電極之力間形成的電容發(fā)生變化，通過測(cè)量電路可以輸出與電壓有一定關(guān)系的電信號(hào)。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(dòng)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。它的靈敏度與演的面積和壓力近以成正比，與摸的張力和膜與國(guó)定電極之間的距離成反比。另一種面國(guó)定電極為凹球面形狀，振膜為周邊固定的張力平面，可由塑料被金屬層制成。這種類型適用于測(cè)量低壓，并具有高過裁能力。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(dòng)識(shí)的廂膈來溫星高壓。這種類型可以減少稠膜的直接壓力面積，從而使用更薄的福膜來提高靈敏度。為了提高抗干擾能力，它還與各種補(bǔ)償保護(hù)部9和放大電路封裝在一起。該傳感器適用于測(cè)量動(dòng)態(tài)高壓和連測(cè)門飛機(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(dòng)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)威小，漢星結(jié)果由差動(dòng)電路翰出。它的固定電極是在凹面破璃表面鍍金屬層制成的。過載時(shí)，膜片受凹面保護(hù)，不會(huì)斷裂。差動(dòng)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，但加工因誰特別是保旺對(duì)稱住)，不能福高被測(cè)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、感應(yīng)壓力傳感器等。

　　感式壓力傳感器的工作原理是，由于磁性材料和磁尋率的不同。當(dāng)壓力作用在膜片上時(shí)，氣隙大小發(fā)生變化，氣確的變化影響線圈電感的變化。處理電胳可以將電感的變化轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的信號(hào)輸出，從而達(dá)到測(cè)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(cè)量范圍寬。缺點(diǎn)是不能應(yīng)用于高頻動(dòng)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(huì)隨著氣確的變化而變化，從而測(cè)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(cè)量?？勺兇艑?dǎo)率壓力傳感器使用可移動(dòng)的磁性元件代替鐵芯，壓力的變化導(dǎo)致磁性元件的移動(dòng)，從而砝導(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(chǎng)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似，進(jìn)而產(chǎn)生電壓(霍爾電壓的現(xiàn)象，電壓引起的電場(chǎng)力會(huì)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(dòng)引起的。

　　對(duì)號(hào)體施加垂直于電流方向的磁場(chǎng)，會(huì)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(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)會(huì)使后面的電子在電力的作用下，平衡碰場(chǎng)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(chǎng)為交變磁場(chǎng)時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)也是同頻率的交變電動(dòng)勢(shì)，建立霍爾電動(dòng)勢(shì)的時(shí)間極短，因此其響應(yīng)頻率高。理想翟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(dòng)勢(shì)。常用霍爾元件的材料大多是半導(dǎo)體，包括n型硅s)、銻化lnsbt)、碘化鋼(nAs)、l鍺(ge)、神化部(GaAkS)和多縣半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料。r型硅具有良好打的霍爾系數(shù)、溫度穩(wěn)定性和線性度，而砷化縮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(dòng)磁場(chǎng)和金屬導(dǎo)體的相交引起的，或者是由運(yùn)動(dòng)金屬導(dǎo)體和磁場(chǎng)的垂直相交引起的?？傊请姶鸥袘?yīng)效應(yīng)造成的。這個(gè)動(dòng)作會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流。渦流特性使渦流檢測(cè)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(cè)。

　　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)間和場(chǎng)率是可以精確J星的物理參數(shù)。在頒率信號(hào)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、溫度特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)方便、易于實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，因此振這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(zhǎng)度是固定的，弦振動(dòng)頻率的變化可以用來測(cè)量張力，即輸入是力信號(hào)，翰出是頻率信號(hào)，振茲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(huì)影響電子模塊腔室的密封性。

　　振泫式壓力傳感罄可迭擇電流輸出型和頻率翰出型。當(dāng)振弦壓力傳感器工作時(shí)，振刻以其共振頻率振動(dòng)。當(dāng)則得的壓力改變時(shí)，頻率也會(huì)改變。這個(gè)頻率信號(hào)可以通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成4~2JmA的電流信號(hào)。