压力传感器工作理图解

压力传感器工作理图解

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压力传感器工作原理图解

随着自动化技术的进步，在工业设备中，除了液柱式压力计、弹性式

压力表外，目前更多的是采用可将压力转换成电信号的压力变送器和

传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信

号的呢？不同的转换方式又有什么特点呢？今天电工学习网为大家

汇总了目前常见的几种压的测量原理，希望能对大家有所帮助。

一、压电压力传感器

压电式压力传感器主要基于压电效应（Piezoelectric effect），利

用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量

工作的测量精密仪器，比如很多压力变送器和压力传感器。压电传感

器不可以应用在静态的测量当中，原因是受到外力作用后的电荷，当

回路有无限大的输入抗阻的时候，才可以得以保存下来。但是实际上

并不是这样的。因此压电传感器只可以应用在动态的测量当中。它主

要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应就是在

石英上发现的。

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当应力发生变化的时候，电场的变化很小很小，其他的一些压电晶体

就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度

的，但是，它只可以使用在室内的湿度和温度都比较低的地方。磷酸

二氢胺是一种人造晶体，它可以在很高的湿度和很高的温度的环境中

使用，所以，它的应用是非常广泛的。随着技术的发展，压电效应也

已经在多晶体上得到应用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌

酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包括在内。

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以压电效应为工作原理的传感器，是机电转换式和自发电式传感器。

它的敏感元件是用压电的材料制作而成的，而当压电材料受到外力作

用的时候，它的表面会形成电荷，电荷会通过电荷放大器、测量电路

的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受到的外力成正比关

系的牛故事 电量输出。它是用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，

例如：

加速度和压力。它有很多优点：重量较轻、工作可靠、结构很简单、

信噪比很高、灵敏度很高以及信频宽等等。但是它也存在着某些缺点：

有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施，而输出电

流的响应又比较差，那就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥

补这个缺点，让仪器更好地工作。

二、压阻压力传感器

压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistive effect）。压阻

效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于

上述压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。

大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。其中半导体材

料中的压阻效应远大于金属。由于硅是现今集成电路的主要，以硅制

作而成的压阻性元件的应用就变得非常有意义。的电阻变化不单是来

自与应力有关的几何形变，而且也来自材料本身与应力相关的电阻，

这使得其程度因子大于金属数百倍之多。N型硅的电阻变化主要是由

于其三个导带谷对的位移所造成不同迁移率的导带谷间的载子重新

分布，进而使得电子在不同流动方向上的迁移率发生改变。其次是由

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于来自与导带谷形状的改变相关的等效质量(effective mass)的变

化。在P型硅中，此现象变得更复杂，而且也导致等效质量改变及电

洞转换。

压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有

外加压力作用，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯

片电阻发生变化，电桥将失去平衡。若钢琴家观后感 给电桥加一个恒定电流或电压

电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻变化通

过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，

再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非

线性校正环路的补偿，即产生了输入电压成线性对应关系的4～20mA

的标准输出信号。

为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都

采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指

标保持较高水平。

三、电容式压力传感器

电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成

电容值改变的压力传感器。这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或

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镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜

与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电

压成一定关系的电信号。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传

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。

单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的作用

下变形，从而改变电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力

成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。另一种型式

的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑

料镀金属层的方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。

还可以采用带活塞动极膜片制成测量高压的单电容式压力传感器。这

种型式可减小膜片的直接受压面积，以便采用较薄的膜片提高灵敏

度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提

高抗干扰能力。这种传感器适于测量动态高压和对飞行器进行遥测。

单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成

两个电容器。在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应

初一下册生物

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减小，测量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表

面上镀金属层而制成。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。差动

电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难

（特别是难以保证对称性），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，

因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

四、电磁压力传感器

多种利用电磁原理的传感器统称，主要包括电感压力传感器、霍尔压

力传感器、电涡流压力传感器等。

电感压力传感器

电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力

作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，

处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测

量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和

变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点

就是不能应用于高频动态环境。

变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成

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了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。

如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从

而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采

用变磁导式压力传感爆炒海瓜子 器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁

性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生

改变，由此得出压力值。

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

是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷

载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。

电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实

导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成。

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在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子受到洛伦

兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，此电场将会使

后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的

电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为

霍尔电压。

当磁场为一交变磁场时，霍尔电动势也为同频率的交变电动势，建立

霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高。理想霍尔元件的材料要求

要有较高的电阻率及载流子迁移率，以便获得较大的霍尔电动势。常

用霍尔元件的材料大都是半导体，包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、

砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构材料，N

型硅的霍尔系数、温度稳定性和线性度均较好，砷化镓温漂小，目前

应用。

电涡流压力传感器

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基于电涡流效应的压力传感器。电涡流效应是由一个移动的磁场与金

属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言

之，就是电磁感应效应所造成。这个动作解毒汤 产生了一个在导体内循环的

电流。

电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因此电涡流压力传

感器可用于静态力的检测。

五、振弦式压力传感器

振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有想当高

的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信

号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同

时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度

特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存

储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技

术发展的方向之一。

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振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与

拉紧力的大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来

测算拉力的大小，即输入是力信号，输出的是频率信号。振弦式压力

传感器分为上下两个部分组成，下部构件主要是敏感元件组合体。上

部构件是铝壳，包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放

置，这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

振弦式压力传感器可以选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传

感器在运作式成全一棵树 ，振弦以其谐振频率不停振动，当测量的压力发生变化

时，频率会产生变化，这种频率信号经过转换器可以转换为4~世界最大的海湾 20mA

的电流信号。

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