壓力傳感器的種類繁多，如壓阻式壓力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓磁式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，光纖壓力傳感器等。

一、壓阻式壓力傳感器：

????固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。

　　壓阻式具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。

1、壓阻式壓力傳感器基本介紹：

　　壓阻式傳感器有兩種類型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)變片，稱為半導(dǎo)體應(yīng)變片，因此應(yīng)變片制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，以此擴(kuò)散電阻的傳感器稱為擴(kuò)散型壓阻傳感器。

　　半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器???半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)形式基本上與電阻應(yīng)變片傳感器相同，也是由彈性敏感元件等三部分組成，所不同的是應(yīng)變片的敏感柵是用半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬應(yīng)變片相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)是它的體積小而靈敏高。它的靈敏系數(shù)比后者要大幾十倍甚至上百倍，輸出信號(hào)有時(shí)不必放大即可直接進(jìn)行測(cè)量記錄。此外，半導(dǎo)體應(yīng)變片橫向效應(yīng)非常小，蠕變和滯后也小，頻率響應(yīng)范圍亦很寬，從靜態(tài)應(yīng)變至高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變都能測(cè)量。由于半導(dǎo)體集成化制造工藝的發(fā)展，用此技術(shù)與半導(dǎo)體應(yīng)變片相結(jié)合，可以直接制成各種小型和超小型半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，使測(cè)量系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。但是半導(dǎo)體應(yīng)變片也存在著很大的缺點(diǎn)，它的電阻溫度系統(tǒng)要比金屬電阻變化大一個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏系數(shù)隨溫度變化較大它的應(yīng)變—電阻特性曲線性較大，它的電阻值和靈敏系數(shù)分散性較大，不利于選配組合電橋等等。

　　擴(kuò)散型壓阻式傳感器???擴(kuò)散型壓阻傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同時(shí)特性不一樣。因此必須根據(jù)傳感器受力變形情況來(lái)加工制作擴(kuò)散硅敏感電阻膜片。

　　利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可設(shè)計(jì)成多種類型傳感器，其中壓力傳感器和加速度傳感器為壓阻式傳感器的基本型式。

　　硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。硅膜片是核心部分，其外形狀象杯故名硅杯，在硅膜上，用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做成四個(gè)相等的電阻，經(jīng)蒸鍍金屬電極及連線，接成惠斯登電橋再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側(cè)是和被測(cè)系數(shù)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而使擴(kuò)散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相對(duì)應(yīng)的電壓，其大小就反映了膜片所受壓力差值。

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2、壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)

　　壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)是：靈敏度高，頻率響應(yīng)高；測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至60Mpa的高壓；精度高，工作可靠，其精度可達(dá)±0.2％～0.02％；易于微小型化，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出直徑φ1.8～2mm的壓阻式壓力傳感器。目前，應(yīng)用最為廣泛的壓力傳感器是壓阻式壓力傳感。

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3、壓阻式壓力傳感器測(cè)量方法

　　硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻對(duì)稱布置，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　如圖4的壓力測(cè)量放大電路中，R1~R4由壓敏電阻構(gòu)成的直流電橋，無(wú)力作用時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)RP使直流橋輸出電壓為0。R5、R6為限流電阻。通過(guò)改變R7值可以改變放大倍數(shù)。輸出電壓信號(hào)如果要作為數(shù)字信號(hào)處理，則后續(xù)電路可接A/D轉(zhuǎn)換電路。

4、典型壓阻式壓力傳感器型號(hào)及應(yīng)用

二、應(yīng)變式壓力傳感器
?????應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。

1、應(yīng)變式壓力傳感器分類介紹

　　應(yīng)變計(jì)中應(yīng)用最多的是粘貼式應(yīng)變計(jì)(即應(yīng)變片)。它的主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)小、線性范圍窄,而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì))。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式、組合式四種。
　　?①應(yīng)變管式?　又稱應(yīng)變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測(cè)系統(tǒng)連接(圖1)。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí)?4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用。??

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　　②膜片式?　它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)最大應(yīng)變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能最大限度地利用膜片的應(yīng)變效果（圖2）。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。

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③應(yīng)變梁式?　測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的最大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。

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④組合式?　在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)?。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)淖畲髴?yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變?cè)袘冶哿?、固定梁、Π形梁?環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。

2、應(yīng)變片使用方法

通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)換和cpu）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

常用的力測(cè)量方法是用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)量構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力、力之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的受力狀態(tài)。

應(yīng)變儀采用交流電橋時(shí)，輸出特性與直流電橋(直流電橋的輸出特性)類似。應(yīng)變片的布置和電橋組接（簡(jiǎn)稱布片組橋）應(yīng)根據(jù)被測(cè)量和被測(cè)對(duì)象受力分布來(lái)確定。還應(yīng)利用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響。

測(cè)量拉伸(壓縮)應(yīng)變時(shí)要采用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式，以便達(dá)到溫度補(bǔ)償(測(cè)軸向拉(壓)時(shí)的溫度補(bǔ)償)、消除彎矩影響(用雙工作片消除溫度的影響)和提高測(cè)量靈敏度(用四工作片提高測(cè)量的靈敏度)的目的。

常用應(yīng)力測(cè)量的布片和組橋方式:?當(dāng)試件受到彎矩作用時(shí)，其上、下表面會(huì)分別產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)變測(cè)量求得彎矩，布片接橋時(shí)要注意利用電橋特性，在輸出中保留彎應(yīng)變的影響，消除軸向拉、壓力產(chǎn)生的應(yīng)變成分。

3、典型應(yīng)變式壓力傳感器

三、壓電式壓力傳感器

某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。?壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)。

1、壓電壓力傳感器的基本介紹

常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機(jī)理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機(jī)械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：

Q=kSp

式中?Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過(guò)測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。

圖3.1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過(guò)引線將電荷量引出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。?
????除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。

更換壓電元件可以改變壓力的測(cè)量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。

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2、壓電壓力傳感器的基本特點(diǎn)
?????壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下的壓力；測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力

壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。?
?????壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。
????壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

3、壓電壓力傳感器測(cè)量電路

由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。

?前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。

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4、典型壓電壓力傳感器型號(hào)

四、電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓脺y(cè)量電容的方法測(cè)出電容量，便可知道被測(cè)壓力的大小。

1、電容式壓力傳感器基本介紹

未完待續(xù)：壓力傳感器原理及應(yīng)用-稱重技術(shù)（二）