壓（yā）力（lì）變送器是（shì）工業實踐中最為（wéi）常用的一種傳感器，其廣泛應用於各種工（gōng）業自（zì）控（kòng）環（huán）境，涉及水（shuǐ）利水電、鐵（tiě）路交通、智能建築、生產自控、航（háng）空航天、軍工、石化、油（yóu）井、電力、船舶、機（jī）床、管道等（děng）眾多行業（yè），下麵就簡單介紹（shào）一些常（cháng）用壓力變送（sòng）器的原（yuán）理及其應用（yòng）



1、應變（biàn）片（piàn）壓力變送器原理與應用
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變（biàn）片壓力變送器、半導體應（yīng）變（biàn）片壓力變送器、壓（yā）阻式壓力變（biàn）送器、電感式壓力變送器、電（diàn）容式（shì）壓力變送（sòng）器、諧振（zhèn）式壓（yā）力變送器（qì）及電容（róng）式加（jiā）速度傳（chuán）感（gǎn）器等。但應用最為（wéi）廣（guǎng）泛的是（shì）壓阻式壓力變送器，它具有極低的價格和（hé）較高的精度（dù）以（yǐ）及（jí）較好的（de）線性特性（xìng）。下麵（miàn）我們主要介紹這類傳感器。



在了（le）解壓阻（zǔ）式（shì）壓力變（biàn）送（sòng）器時，我（wǒ）們首先認識一（yī）下電阻應（yīng）變片（piàn）這種（zhǒng）元件。電（diàn）阻應（yīng）變片是一種將（jiāng）被測件上的應變變（biàn）化轉換成為一種電信號的敏感（gǎn）器（qì）件。它是壓阻（zǔ）式應變變送（sòng）器的主要組成部分之一（yī）。電阻應變（biàn）片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應（yīng）變片兩（liǎng）種。金屬電阻應變片又有（yǒu）絲狀應變片和金（jīn）屬箔狀應（yīng）變片兩種。通常（cháng）是將應變片通過特殊（shū）的粘和劑緊密（mì）的粘合（hé）在（zài）產（chǎn）生力學（xué）應變基體上，當基體受力發（fā）生應力變化時，電阻（zǔ）應（yīng）變片（piàn）也（yě）一起產生形變，使應變（biàn）片的阻值發生改變（biàn），從而使加在電阻上的電（diàn）壓發生變（biàn）化。這種應變片在受力時產（chǎn）生的阻值變（biàn）化（huà）通常較小，一（yī）般這種應（yīng）變片（piàn）都組成應變電橋，並通過後（hòu）續的（de）儀（yí）表放大器進行（háng）放大，再（zài）傳輸給處（chù）理電路（通常是A/D轉（zhuǎn）換和CPU）顯示或執（zhí）行機構（gòu）。



金屬電阻應變片的內部結構



如圖（tú）1所示，是電（diàn）阻（zǔ）應變（biàn）片的結（jié）構（gòu）示意圖，它由（yóu）基體材（cái）料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引（yǐn）出線等部（bù）分組成。根據不（bú）同的用途，電阻應變（biàn）片的阻值可以由設計者設計，但（dàn）電阻（zǔ）的取值範圍應注意：阻值太小，所需（xū）的驅動電（diàn）流太大（dà），同時（shí）應變片的（de）發熱致使（shǐ）本身（shēn）的溫度（dù）過高，不同的環境中使用，使應變片的阻（zǔ）值變化太（tài）大，輸出（chū）零點漂移（yí）明顯，調零電路過（guò）於複雜。而電阻太大，阻抗太高，抗（kàng）外界的電磁幹擾能力較差。一般（bān）均為幾十歐至幾十千歐左右（yòu）。
電阻應變片的工作（zuò）原理（lǐ）



金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體（tǐ）材料上（shàng）應變電阻隨機（jī）械形變而產生阻值變化的現（xiàn）象，俗稱為（wéi）電阻應（yīng）變效應。金（jīn）屬（shǔ）導體的電阻（zǔ）值可用（yòng）下式表（biǎo）示：
式中：



ρ——金屬導（dǎo）體的電阻率（Ω?cm2/m）
S——導體的截（jié）麵積（cm2）
L——導（dǎo）體的長度（m）
我們以金（jīn）屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截（jié）麵積都會發生變化，從上式中可（kě）很容易（yì）看出，其電（diàn）阻值（zhí）即會發生改變，假（jiǎ）如金屬（shǔ）絲受外力作用而伸（shēn）長時，其長度增加，而截麵積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力（lì）作用而（ér）壓縮（suō）時，長度減小而截（jié）麵增加（jiā），電阻（zǔ）值則會減小。隻要（yào）測出加（jiā）在電阻的變化（通常是（shì）測量電阻兩端的電壓），即可（kě）獲得應變金屬絲（sī）的應變情（qíng）



2、陶瓷壓力變送器原理及應（yīng）用
抗腐蝕的壓力變送器沒有液體的（de）傳遞，壓力直（zhí）接作用（yòng）在（zài）陶瓷（cí）膜片的前表麵，使膜片產生微小的形變，厚膜電阻印（yìn）刷在（zài）陶瓷膜片的背麵，連接（jiē）成（chéng）一（yī）個惠斯通電橋(閉橋)，由於（yú）壓敏電阻的壓（yā）阻效應，使電橋產生一個（gè）與壓力成正比的高度線性（xìng）、與激勵電壓也成正比的電壓（yā）信號，標準（zhǔn）的信號根據壓力量程（chéng）的（de）不同標定（dìng）為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和應變式傳（chuán）感器（qì）相兼（jiān）容。通（tōng）過激光標定，傳感器具有很（hěn）高的溫（wēn）度穩定性和時間穩（wěn）定性，傳感器自帶溫度補償0～70℃，並可以和（hé）絕（jué）大（dà）多數介（jiè）質直接接觸。



陶瓷是一種公認的高彈性、抗腐蝕、抗磨損、抗（kàng）衝擊和振動（dòng）的（de）材料。陶（táo）瓷的熱穩定（dìng）特（tè）性及它的厚膜（mó）電阻（zǔ）可（kě）以（yǐ）使它的工作溫（wēn）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，輸出信（xìn）號強，長期穩（wěn）定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是壓力變送器的（de）發展（zhǎn）方（fāng）向，在歐美國家有全麵替（tì）代其它（tā）類型（xíng）傳感器的趨勢，在中國也（yě）越來越多的用戶使用（yòng）陶瓷傳感器替代擴（kuò）散矽壓力變送器。



3、擴散（sàn）矽壓力變送器（qì）原理及（jí）應用



工（gōng）作原理



被測介質的壓力直（zhí）接（jiē）作用於傳感器的膜片上（shàng）（不鏽鋼或（huò）陶瓷），使（shǐ）膜片產（chǎn）生與介質壓力成正比的微位移，使傳（chuán）感器的（de）電阻（zǔ）值（zhí）發生變化，和用電子線路檢測（cè）這一變（biàn）化，並轉換輸出一個對應於（yú）這一壓力的標（biāo）準測量（liàng）信（xìn）號。



4、藍寶（bǎo）石壓力變送器原理（lǐ）與應用



利用應變電阻式工作原理，采用矽-藍寶石（shí）作為（wéi）半（bàn）導體敏（mǐn）感元件，具有無（wú）與倫比的計量（liàng）特性。



藍寶石係由單晶（jīng）體絕緣體元素（sù）組成，不（bú）會發生（shēng）滯後（hòu）、疲（pí）勞和蠕變現（xiàn）象；藍寶石比矽（guī）要堅固，硬度更高（gāo），不（bú）怕（pà）形變（biàn）；藍（lán）寶石有著非常好的彈（dàn）性和絕緣特性（1000 OC以（yǐ）內（nèi）），因此，利用矽-藍寶石製造（zào）的半導體敏感（gǎn）元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也（yě）有著很好的工作特（tè）性；藍寶石的抗輻射特性極（jí）強；另（lìng）外，矽-藍（lán）寶石半導體敏感元（yuán）件，無p-n漂移，因此（cǐ），從根（gēn）本上簡化了製造工（gōng）藝，提高了（le）重複性，確（què）保了高成（chéng）品率。



用矽-藍寶石（shí）半導體（tǐ）敏感元件製造的（de）壓力傳（chuán）感器和變送器，可在最惡（è）劣的（de）工作條件（jiàn）下正常工作，並（bìng）且（qiě）可靠性高（gāo）、精度好（hǎo）、溫度（dù）誤（wù）差極小、性（xìng）價比（bǐ）高。



表壓壓力傳感器和（hé）壓力變（biàn）送（sòng）器由雙膜片構成：鈦（tài）合金測量膜片和鈦合（hé）金接收膜片。印刷（shuā）有異質（zhì）外延性應變靈敏電橋電路的藍（lán）寶石薄片，被焊接（jiē）在鈦合金測量膜（mó）片上（shàng）。被測（cè）壓力傳送到接收膜片上（接收膜片與（yǔ）測量膜片之間用（yòng）拉杆堅固的連接在一起）。在（zài）壓力（lì）的作用下，鈦合金接收膜片產生形變，該形變被矽-藍（lán）寶（bǎo）石敏（mǐn）感元件感知（zhī）後，其（qí）電橋輸出會發生（shēng）變化，變化的（de）幅度與（yǔ）被（bèi）測（cè）壓力（lì）成（chéng）正（zhèng）比（bǐ）。



傳感器的電路能夠保證應（yīng）變電橋電路（lù）的供電，並將應（yīng）變電（diàn）橋的失（shī）衡信（xìn）號（hào）轉換為統一的電（diàn）信號輸（shū）出（chū）（0-5，4-20mA或0-5V）。在絕（jué）壓（yā）壓力傳（chuán）感器和壓力變送器（qì）中（zhōng），藍寶石薄片，與陶瓷基極玻璃焊料連（lián）接在一起，起（qǐ）到了彈性元件的（de）作用，將被測壓力轉換（huàn）為（wéi）應變片形變（biàn），從而達到壓（yā）力測量的目的（de）。



5、壓電壓力傳感器原理與應用



壓（yā）電傳感器（qì）中主（zhǔ）要（yào）使用的壓電材（cái）料包括有（yǒu）石英、酒（jiǔ）石酸（suān）鉀鈉和磷酸二氫胺。其（qí）中（zhōng）石（shí）英（二（èr）氧化（huà）矽）是一種天然（rán）晶體，壓電效應就是在這（zhè）種（zhǒng）晶體中發現（xiàn）的，在一定（dìng）的溫（wēn）度範圍之內（nèi），壓電性質一直（zhí）存在，但（dàn）溫度超過（guò）這個範圍之（zhī）後（hòu），壓電性質完全消失（這（zhè）個高溫就是所謂的（de）“居裏點”）。由（yóu）於隨著應力的變化電場變化微小（也就說壓電（diàn）係數比較低（dī）），所（suǒ）以石（shí）英（yīng）逐漸被（bèi）其（qí）他的壓電晶體所替代。而酒（jiǔ）石（shí）酸（suān）鉀鈉具有（yǒu）很（hěn）大的壓電靈（líng）敏度（dù）和（hé）壓電係數，但是它隻能在室溫（wēn）和濕（shī）度（dù）比較低（dī）的環境下才能夠（gòu）應用（yòng）。磷酸二氫胺（àn）屬於人造晶體，能夠承（chéng）受高溫和相當（dāng）高的（de）濕（shī）度，所以已經得到（dào）了廣泛的應用。



現（xiàn）在壓電效應也應用在多晶體（tǐ）上，比如現在的壓電陶瓷，包括鈦（tài）酸鋇壓電陶瓷、PZT、铌酸鹽係壓電陶瓷、铌鎂酸（suān）鉛壓電陶瓷等（děng）等。

壓電效應（yīng）是壓電傳感器的主要工作原理（lǐ），壓（yā）電傳感器（qì）不能（néng）用於靜態測量（liàng），因為經過外力作用後的電荷，隻有在（zài）回路具有無限（xiàn）大的輸入阻抗時才（cái）得到保存。實（shí）際的情況不是（shì）這樣的，所（suǒ）以（yǐ）這決定（dìng）了（le）壓電（diàn）傳感器（qì）隻能夠（gòu）測量動態（tài）的應力（lì）。



壓電傳感（gǎn）器主要應用在加速度、壓力（lì）和力等的（de）測量中。壓電式加速度傳感器是（shì）一種常用的（de）加速度計。它（tā）具有結構簡單、體積小、重量輕、使（shǐ）用壽（shòu）命（mìng）長等（děng）優異的特（tè）點（diǎn）。壓電式加速（sù）度傳（chuán）感器在（zài）飛機、汽車（chē）、船舶、橋（qiáo）梁和建築的振（zhèn）動和衝擊測量中已經（jīng）得（dé）到了廣泛的應用，特別（bié）是航空和宇航領（lǐng）域（yù）中更有它的特殊地（dì）位（wèi）。壓電式傳感（gǎn）器也（yě）可以（yǐ）用來（lái）測量發（fā）動機內部（bù）燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用（yòng）於軍事工業，例如用它來測量槍炮子彈在膛中（zhōng）擊發的一（yī）瞬間的膛壓的變化和炮口的衝擊（jī）波（bō）壓力。它既可（kě）以用來測量（liàng）大的壓力，也可（kě）以用來測量微小的壓力。



壓電式傳感器也廣泛應用在生物醫學（xué）測量中，比如說心室導管式（shì）微（wēi）音器就是由壓電傳感器製成的，因為測量動態壓力（lì）是如此普遍，所以壓電（diàn）傳（chuán）感器的應（yīng）用（yòng）就非常廣（guǎng）泛。