壓力傳感器的工作原理
壓力傳感器是工業實踐中常用的傳感器，廣泛應用于各種工業自動控制環境，涉及水利水電、鐵路運輸、智能建筑、生產自動控制、航空航天、石油化工、油井、電力、船舶、機床、管道等諸多行業。這里簡單介紹一些常用傳感器的原理和應用。
一個
應變式壓力傳感器的原理及應用
機械傳感器有很多種，如電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、電容式加速度傳感器等。但壓阻式壓力傳感器應用廣泛，價格極低，精度高，線性特性好。下面我們主要介紹這類傳感器。
當對電阻式力傳感器進行解壓縮時，我們首先了解電阻式應變儀。電阻應變片是一種將被測零件上的應變變化轉換成電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要部件之一。金屬電阻應變計和半導體應變計被廣泛使用。金屬電阻應變片有兩種:金屬絲應變片和金屬箔應變片。通常，應變儀通過一種特殊的粘合劑與產生機械應變的基板緊密結合。當襯底的應力改變時，應變儀的電阻改變，從而施加到電阻器的電壓改變。這種應變片通常在受力時電阻變化很小。一般這種應變片形成一個應變電橋，由后續的儀表放大器放大后再傳輸到處理電路 (通常為模數轉換器)
轉換和CPU
)顯示器或致動器。
金屬電阻應變計的內部結構
如圖1所示
如所示，是電阻應變片的結構示意圖，由基材、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片、引出線等組成。根據不同的用途，電阻應變片的電阻值可以由設計者自行設計，但要注意電阻值的范圍:電阻值過小，所需驅動電流過大。同時，應變片的發熱導致其自身溫度過高。在不同環境下使用時，應變片電阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。但電阻過大，阻抗過高，抗外界電磁干擾能力差。一般在幾十歐到幾萬歐左右。
電阻應變儀的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基材上的應變電阻隨機械變形而變化的現象，俗稱電阻應變效應。金屬導體的電阻值可以由下面的公式表示:
式中:ρ-金屬導體的電阻率(ω。平方厘米/平方米
)
S
-導體的橫截面積(cm2
)
L
-導線長度(米
)
我們以金屬絲的應變電阻為例。當金屬絲受到外力時，它的長度和截面積都會發生變化。從上面的公式很容易看出，它的電阻值會發生變化。如果金屬絲受到外力拉伸，其長度會增加，截面積會減少，電阻值會增加。導線受外力壓縮時，長度減小，截面增大，電阻值減小。只要測量電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓)，就可以得到。
應變絲的應變情況
二
陶瓷壓力傳感器的原理及應用
耐腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體傳輸，壓力直接作用在陶瓷膜片的正面，使膜片輕微變形。厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接形成惠斯通電橋(閉合電橋)。由于壓電電阻器的壓阻效應，電橋產生與壓力和激勵電壓成比例的高度線性的電壓信號。根據不同的壓力范圍，標準信號被校準為2.0。
/
三
/
三點三十分
MV/V等。，可與應變傳感器兼容。通過激光標定，傳感器具有較高的溫度穩定性和時間穩定性，傳感器本身具有0°的溫度補償。
~ 70℃，并能與大多數介質直接接觸。
陶瓷是公認的高彈性、耐腐蝕、耐磨損、耐沖擊、耐振動的材料。陶瓷的熱穩定性及其厚膜電阻可使其工作溫度范圍高達-40℃
~135
溫度，具有較高的精度和穩定性。電氣絕緣度2kV，輸出信號強，長期穩定性好。高性能、低價格的陶瓷傳感器將是壓力傳感器的發展方向。在歐美，有完全取代其他類型傳感器的趨勢。在中國，越來越多的用戶使用陶瓷傳感器取代擴散硅壓力傳感器。
三
擴散硅壓力傳感器的原理及應用
工作原理:被測介質的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化，這種變化被電子電路檢測到，并轉換輸出一個與此壓力相對應的標準測量信號。
示意圖
四
藍寶石壓力傳感器的原理及應用
基于應變電阻的工作原理，硅-
藍寶石作為半導體敏感元件，具有計量特性。
藍寶石由單晶絕緣體元素組成，不會造成遲滯、疲勞和蠕變。藍寶石比硅更堅固，硬度更高，不怕變形；藍寶石具有非常好的彈性和絕緣性能(1000
指揮官
內)，因此，使用硅-
由藍寶石制成的半導體傳感器對溫度變化不敏感，即使在高溫下也具有良好的工作特性。藍寶石抗輻射能力強；此外，硅-
藍寶石半導體傳感器，無p-n
因此，漂移從根本上簡化了制造過程，提高了可重復性，并確保了高產量。
用硅-
采用藍寶石半導體敏感元件制成的壓力傳感器和變送器能在惡劣的工作條件下正常工作，可靠性高，精度好，溫度誤差小，性價比高。
表壓傳感器和變送器由兩塊膜片組成:鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異質外延應變敏感電橋電路的藍寶石薄片焊接在鈦合金測量膜片上。測量的壓力被傳送到接收膜片(接收膜片和測量膜片通過拉桿牢固地連接在一起)。在壓力的作用下，鈦合金接收膜片變形，這是由硅-
藍寶石傳感器感應后，其電橋輸出會發生變化，變化的幅度與測得的壓力成正比。
該傳感器的電路可以保證應變電橋電路的供電，并將應變電橋的不平衡信號轉換成統一的電信號輸出(0-5
4-20mA或0-5V)。在絕對壓力傳感器和變送器中，與陶瓷基玻璃焊料相連的藍寶石片起到彈性元件的作用，將測得的壓力轉化為應變片的形變，從而達到壓力測量的目的。
五
壓電式壓力傳感器的原理及應用
壓電傳感器中使用的主要壓電材料包括應時、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫。其中，應時(二氧化硅)是一種天然晶體，在這種晶體中發現了壓電效應。在一定的溫度范圍內，壓電性能一直存在，但溫度超過這個范圍后，壓電性能完全消失(這個高溫稱為
居里點)。由于電場隨應力的變化而略有變化(也就是說壓電系數相對較低)，應時逐漸被其他壓電晶體所取代。酒石酸鉀鈉具有很大的壓電敏感性和壓電系數，但只能在室溫和低濕度下應用。磷酸二氫胺是一種人工晶體，能承受高溫和相對較高的濕度，因此得到了廣泛的應用。
現在壓電效應也應用于多晶體，如壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷和PZT。
、鈮酸鹽壓電陶瓷、鈮酸鉛鎂壓電陶瓷等等。
壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理。壓電傳感器不能用于靜態測量，因為只有當回路具有無窮大的輸入阻抗時，外力作用后的電荷才得以保留。實際情況并非如此，因此決定了壓電傳感器只能測量動態應力。
壓電傳感器主要用于加速度、壓力和力的測量。壓電加速度計是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長的優點。壓電式加速度計已廣泛應用于飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑物的振動和沖擊測量，特別是在航空和航天領域。壓電傳感器也可以用來測量發動機的內燃壓力和真空度。它還可以用于軍事工業，例如測量槍支子彈在膛內發射瞬間的膛壓變化和槍口沖擊波壓力。它可以用來測量大壓力和小壓力。
壓電傳感器也廣泛用于生物醫學測量。例如，心室導管麥克風由壓電傳感器制成。因為測量動態壓力是如此普遍，壓電傳感器被廣泛使用。壓力傳感器特性和應用設計實驗報告。
一、目的要求:
(一)了解壓力傳感器的工作原理和應用。
(2)設計數字壓力裝置。
二、實驗裝置:
壓力傳感器電位器穩壓電源游標卡尺
指針式檢流計重量計算機
三、實驗原理:
壓力傳感器由四個電阻應變片組成，分別貼在彈性體平行梁的上下表面。由四個應變片組成的電橋采用不平衡電橋原理，將壓力轉換成不平衡電壓進行測量。如下所示:
(一)應變與壓力的關系。
電阻應變片石將機械應變轉化為電阻值變化。
貼應變片處的應變為ε = f/y = 6fl0/bhhy。
所以應變ε和壓強f成正比。
(2)應變力與電阻的關系。
當彈性體的應變發生變化時，附著在其上的電阻應變片也隨之變化?？估娮枵{式應變片的電阻增大，而抗壓電阻應變片的電阻減小，四個電阻應變片形成一個電橋，成為差動電橋。
(3)電阻與電壓的對應比例關系。
如果r1=r2=r3=r4，δr1=δr2=δr3=δr4，則有
四個實驗步驟:
(1)設計用于測量壓力傳感器特性的電路和儀器。
裝置，并測量其特性曲線。
1根據下圖安裝儀器和設備。
等截面梁結構電路圖
等截面梁結構應變片安裝示意圖
2根據全橋電阻測量安裝電路圖。
全橋電阻測量
3.將C、D接口連接到電位器上，調整電阻箱，使數字顯示變小。
4.將5、15、35、85、185g砝碼分別放入托盤中，記錄數據并填表。
5、數據處理。
h = 1.0毫米= 24.60毫米= 180.0毫米
三點四一
一點七一
零點八七
零點五二
零點三四
零點二六
平均值(V) 3.41
一點七二
零點八六
零點五一
零點三四
零點二七
卸載電壓(v)
三點四一
一點七四
零點八八
一點五三
一點三五
零點二五
負載電壓(v)
一百八十五個
八十五
三十五歲
十五
五
零
負載力(克)
圖a: 3.41
七十九點五九分
一點八一三
一百八十五個
五
一點七一
三十六點五十七分
零點八三三
八十五
四
零點八七
十五點零六分
零點三四三
三十五歲
三
零點五二
六點四十五分
零點一四七
十五
二
零點三四
二點一五
零點零四九
五
一個
零點二六
零
零
零
電壓(毫伏)
壓力(*1000000)
負載ni(n)
重量(克)
頻率
圖b: u(毫伏)
u=0.04f+0.26
女大學生
圖c
(2)設計數字壓力裝置。
四個實驗步驟:
數字顯示窗口
轉換
0000
電源
托盤
數字壓力裝置的出現
(2)設計數字壓力裝置。
數字壓力裝置內置圖
托盤
數字壓力裝置內置電路圖
電位計
轉換器
計算機
電源
轉換
講師:
xxx
參考書目:
現代物理學的綜合應用與設計
大學物理實驗