五种 压力传感器 工作原理 汇总

总结了5种压力传感器的工作原理:随着自动化技术的进步，在工业设备中，除液柱式压力计、弹性压力计外，现在还采用了将压力转换为电信号的压力变送器和压力传感器。那么这些压力变送器和压力传感器是如何将压力信号转换成电信号的呢？不同的转换方式有什么特点？

一、压电压力传感器。

压力式压力传感器主要基于压力效应，利用电气部件和其他机器将待测量的压力转换为电量，进行相关测量作业的测量精密仪器，如许多压力变送器和压力传感器。压电传感器不能应用于静态测量，是因为受外力作用后的电荷，电路有无限大的输入阻力时可以保存。但事实并非如此。因此，压电传感器只能应用于动态测量。其主要压力材料为磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压力效应是在石英发现的。

当应力发生变化时，电场的变化很小，其他压力晶体将取代石英。酒石酸钾钠具有较大的压力系数和压力敏感度，但只能用于室内湿度和温度较低的场所。磷酸二氢胺是一种人工晶体，在湿度高、温度高的环境环境，因此应用非常广泛。随着技术的发展，压力效应也已经应用于多晶体。例如，包括压力陶瓷、铌镁酸压力陶瓷、铌酸盐系压力陶瓷、钛酸钡压力陶瓷等。

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。其敏感部件是由压力材料制成的，压力材料受到外力作用时，表面形成电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大、变换阻抗后，转换为与所受外力成正比关系的电力输出。用于测量力和转换力的非电气物理量，如:

加速度和压力。重量轻多优点:重量轻、工作可靠、结构简单、噪音比高、灵敏度高、多。但是，由于部分电压材料不潮湿，需要采取一系列的防潮措施，输出电流的反应不好，因此需要使用电荷放大器或高输入阻抗电路来弥补这一缺点，使设备更好地工作。

二、压阻压力传感器。

压阻压力传感器主要基于压阻效应。压阻效应用于描述材料在机械应力下产生的电阻变化。与上述压力效应不同，压力效应只产生阻力变化，不产生电荷。

发现大多数金属材料和半导体材料具有阻力效果。其中半导体材料中的抗压效果远大于金属。硅是目前集成电路的主要原因，硅制成的压阻性元件的应用非常有意义。的电阻变化不仅来自与应力有关的几何变化，而且来自材料本身与应力有关的电阻，其程度因比金属大几百倍。n型硅的电阻变化主要是由于其三个导游谷对的位移引起的转移率不同导游谷间的载荷重新分布，电子在不同流动方向的转移率发生了变化。其次，由于导带谷形状的变化，等效质量的变化。在P型硅中，这种现象变得更加复杂，也导致了等效质量的变化和电孔的转换。

压阻压力传感器通常通过引线连接到惠斯登电桥。平时敏感芯没有增加压力，桥处于平衡状态(称为零位)，传感器受压后芯片电阻变化，桥处于平衡状态。在桥上加入恒定电流和电压电源时，桥会输出与压力对应的电压信号，传感器的电阻变化会通过桥变成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，扩大后，通过电压电流的转换，转换为相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，产生了输入电压线性对应关系的4~20mA的标准输出信号。

为了减少温度变化对核心电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器采用温度补偿措施使零点漂移、灵敏度、线性、稳定性等技术指标保持高水平。

三、电容式压力传感器。

电容式压力传感器是利用电容器作为敏感部件，将被测压力转换为电容值变化的压力传感器。该压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的电极，薄膜感到压力变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路可以输出与电压有关的电信号。电容压力传感器属于极距离变化型电容传感器，可分为单电容压力传感器和差电容压力传感器。

单电容压力传感器由圆形薄膜和固定电极组成。膜在压力的作用下变形，改变电容器的容量，其灵敏度与膜的面积和压力成正比，与膜的张力和膜到固定电极的距离成反比。另一种类型的固定电极取凹形球面状，薄膜为周边固定的张紧平面，薄膜可以用塑料镀金属层的方法制作。该型号适用于测量低压，具有较高的过载能力。也可以用带活塞的动极膜片制作测量高压的单电容压力传感器。这种类型可以减少薄膜的直接受压面积，提高薄膜的灵敏度。它还与各种补偿和保护部和放大电路整体密封，以提高抗干扰能力。该传感器适用于测量动态高压，远程测量飞机。单电容压力传感器有传声器式(麦克风式)和听诊器式等。

差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。在压力的作用下，下一个电容器的容量增大，另一个相应减小，测量结果由差动式电路输出。其固定电极是在凹凸的玻璃表面镀金属层制成的。过载时，薄膜受凹面保护，不破裂。电容式压力传感器比单电容式灵敏度高，线性好，但加工困难(特别是对称性难以保证)，无法实现被测气体和液体的隔离，因此不适合在有腐蚀性和杂质的流体中工作。

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、涡流压力传感器等。

电感压力传感器的工作原理是磁性材料和磁导率不同，当压力作用于薄膜时，空气间隙的大小会发生变化，空气间隙的变化会影响线圈电感的变化，处理可以将该电感的变化转化为相应的信号输出，达到测量压力的目的。该压力传感器根据磁路的变化分为变磁阻和变磁导两种。电感压力传感器的优点是灵敏度高，测量范围大，缺点是不能应用于高频动态环境。

变磁阻式压力传感器的主要部件是铁芯和膜片。与之间的空隙形成磁路。有压力作用时，气隙的大小发生了变化，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈中加入一定的电压，电流会随气隙的变化而变化，从而测量压力。

在磁通密度高的情况下，铁磁材料的导磁率不稳定的情况下，可以用变磁导压传感器来测量。变磁导式压力传感器用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，导磁率发生变化，得到压力值。

霍尔压力传感器是根据一些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指固体导体放置在磁场，电流通过时，导体内的电荷载子受到罗伦兹的力量偏向，产生电压(霍尔电压)的现象。电压引起的电场力平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可以证明导体内部的电流是由带粒子(自由电子)的运动引起的。

在导体上加上垂直于电流方向的磁场，导线中的电子会受到罗伦兹的力量而聚集，在电子聚集的方向上产生电场，这个电场会使之后的电子受到电力的作用，平衡磁场引起的罗伦兹的力量，使之后的电子能够顺利通过产生的内部电压称为霍尔电压。

磁场为交换磁场时，霍尔电动势也为同频交换电动势，建立霍尔电动势的时间极短，响应频率高。理想霍尔元件的材料需要较高的电阻率和载流子转移率，以获得较大的霍尔电动势。常用霍尔元件的材料大多是半导体。

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。

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，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4~20mA的电流信号。

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