压力传感器的工作原理，什么是压力传感器，压力传感器的接线方法

　　什么是压力传感器：

　　压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。

　　压敏传感器分为哪几种类型：

　　扩散硅压力变送器DATA-52系列

　　扩散硅压力变送器DATA-52系列 性能指标：

　　测量介质：液体或气体（对不锈钢壳体无腐蚀）

　　量程：0-10MPa

　　精度等级：0.1%FS、0.5%FS（可选）

　　稳定性能：±0.05%FS/年；±0.1%FS/年

　　输出信号：RS485、4~20mA（可选）

　　过载能力：150%FS

　　零点温度系数：±0.01%FS/℃

　　满度温度系数：±0.02%FS/℃防护等级：IP68

　　环境温度：-10℃～80℃

　　存储温度：-40℃～85℃

　　供电电源：9V～36V DC；

　　结构材料：外壳：不锈钢1Cr18Ni9Ti

　　密封圈：氟橡胶

　　膜片：不锈钢316L

　　电缆：φ7.2mm聚氨酯专用电缆

　　半导体压电阻型

　　半导体压电阻抗扩散压力传感器是在薄片表面形成半导体变形压力，通过外力（压力）使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。

　　静电容量型

　　静电容量型压力传感器，是将玻璃的固定极和硅的可动极相对而形成电容，将通过外力（压力）使可动极变形所产生的静电容量的变化转换成电气信号。 （E8Y的动作原理便是静电容量方式，其他机种采用半导体方式）。

　　常见的压敏传感器及其工作原理：

　　压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

　　1 、应变片压力传感器原理与应用

　　力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

　　在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D 转换和CPU ）显示或执行机构。

　　金属电阻应变片的内部结构

　　它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

　　电阻应变片的工作原理

　　金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

　　式中：

　　ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m ）

　　S ——导体的截面积（cm2 ）

　　L ——导体的长度（m ）

　　我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得

　　应变金属丝的应变情

　　2 、陶瓷压力传感器原理及应用

　　抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0 ～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

　　陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40 ～135 ℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度》2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

　　3 、扩散硅压力传感器原理及应用

　　工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

　　4 、蓝宝石压力传感器原理与应用

　　利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

　　蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC 以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅- 蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

　　用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。

　　表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

　　传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

　　5 、压电压力传感器原理与应用

　　压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的 “居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

　　现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT 、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

　　压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

　　压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

　　压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛。

　　压力传感器普遍存在的误差：

　　在选择压力传感器的时候我们要考虑他的综合精度，而压力传感器的精度受哪些方面的影响呢？其实造成传感器误差的因素有很多，下面我们注意说四个无法避免的误差，这是传感器的初始误差。首先的偏移量误差：由于压力传感器在整个压力范围内垂直偏移保持恒定，因此变换器扩散和激光调节修正的变化将产生偏移量误差。其次是灵敏度误差：产生误差大小与压力成正比。

　　如果设备的灵敏度高于典型值，灵敏度误差将是压力的递增函数。如果灵敏度低于典型值，那么灵敏度误差将是压力的递减函数。该误差的产生原因在于扩散过程的变化。第三是线性误差：这是一个对压力传感器初始误差影响较小的因素，该误差的产生原因在于硅片的物理非线性，但对于带放大器的传感器，还应包括放大器的非线性。线性误差曲线可以是凹形曲线，也可以是凸形曲线称重传感器。最后是滞后误差：在大多数情形中，压力传感器的滞后误差完全可以忽略不计，因为硅片具有很高的机械刚度。一般只需在压力变化很大的情形中考虑滞后误差。

　　压力传感器的这个四个误差是无法避免的，我们只能选择高精度的生产设备，利用高新技术来降低这些误差，还可以在出厂的时候进行一定的误差校准，尽最大的可能来降低误差以满足客户的需要。

　　压力传感器的接线方法：

　　压力传感器接线方式一般有两线制、三线制、四线制，有的还有五线制的。

　　压力传感器两线制比较简单，一般客户都知道怎么接线，一根线连接电源正极，另一个线也就是信号线经过仪器连接到电源负极，这种是最简单的，压力传感器三线制是在两线制基础上加了一个线，这根线直接连接到电源的负极，较两线制麻烦一点。四线制压力传感器肯定是两个电源输入端，另外两个是信号输出端。四线制的多半是电压输出而不是4~20mA输出，4~20mA的叫压力变送器，多数做成两线制的。压力传感器的信号输出有些是没有经过放大的，满量程输出只有几十毫伏，而有些压力传感器在内部有放大电路，满量程输出为0~2V。至于怎么接到显示仪表，要看仪表的量程是多大，如果有和输出信号相适应的档位，就可以直接测量，否则要加信号调整电路。五线制压力传感器与四线制相差不大，市面上五线制的传感器也比较少。

　　一般常用的是两线制接线。所谓两线制即电源、负载串联在一起，有一公共点，而现场变送器与控制室仪表之间的信号联络及供电仅用两根电线，这两根电线既是电源线又是信号线。两线制变送器由于信号起点电流为4mA.DC，为变送器提供了静态工作电流，同时仪表电气零点为4mA.DC，不与机械零点重合，这种“活零点”有利于识别断电和断线等故障。而且两线制还便于使用安全栅，利于安全防爆。 有的仪表厂为了减小变送器的体积和重量、并提高抗干扰性能、减化接线，而把变送器的供电由220V.AC改为低压直流供电，如电源从24V.DC电源箱取用，由于低压供电就为负线共用创造了条件，这样就有了三线制的变送器产品 所谓三线制就是电源正端用一根线，信号输出正端用一根线，电源负端和信号负端共用一根线。其供电大多为24V.DC，输出信号有4-20mA.DC，负载电阻为250Ω或者0-10mA.DC，负载电阻为0-1.5KΩ；有的还有mA和mV信号，但负载电阻或输入电阻，因输出电路形式不同而数值有所不同 由于各种变送器的工作原理和结构不同，从而出现了不同的产品，也就决定了变送器的两线制、三线制、四线制接线形式。

　　压敏传感器广泛应用在哪些方面：

　　压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。另有医用压力传感器。

　　应用领域压力传感器主要应用于：增压缸、增压器、气液增压缸、气液增压器、压力机，压缩机，空调制冷设备等领域。

　　1、应用于液压系统压力传感器在液压系统中主要是来完成力的闭环控制。

　　当控制阀芯突然移动时，在极短的时间内会形成几倍于系统工作压力的尖峰压力。在典型的行走机械和工业液压中，如果设计时没有考虑到这样的极端工况，任何压力传感器很快就会被破坏。需要使用抗冲击的压力传感器，压力传感器实现抗冲击主要有2种方法，一种是换应变式芯片，另一种方法是外接盘管，一般在液压系统中采用第一种方法，主要是因为安装方便。此外还有一个原因是压力传感器还要承受来自液压泵不间断的压力脉动。

　　2.应用于安全控制系统压力传感器在安全控制系统中经常应用，主要针对的领域是空压机自身的安全管理系统。

　　在安全控制领域有很多传感器应用，压力传感器作为一种非常常见的传感器，在安全控制系统中应用也不足为奇。　　在安全控制领域应用一般从性能方面来考虑，从价格上的考虑，还有从实际操作的安全性方便性来考虑，实际证明选择压力传感器的效果非常好。压力传感器利用机械设备的加工技术将一些元件以及信号调节器等装置安装在一块很小的芯片上面。所以体积小也是它的优点之一，除此之外，价格便宜也是它的另一大优点。在一定程度上它能够提高系统测试的准确度。在安全控制系统中，通过在出气口的管道设备中安装压力传感器来在一定程度上控制压缩机带来的压力，这算是一定的保护措施，也是非常有效的控制系统。当压缩机正常启动后，如果压力值未达到上限，那么控制器就会打开进气口通过调整来使得设备达到最大功率。

　　3.应用于注塑模具压力传感器在注塑模具中有着重要的作用。

　　压力传感器可被安装在注塑机的喷嘴、热流道系统、冷流道系统和模具的模腔内，它能够测量出塑料在注模、充模、保压和冷却过程中从注塑机的喷嘴到模腔之间某处的塑料压力。

　　4.应用于监测矿山压力传感器技术作为矿山压力监控的关键性技术之一。

　　一方面，我们应该正确应用已有的各种传感器来为采矿行业服务；另一方面，作为传感器厂家还要研制和开发新型压力传感器来适应更多的采矿行业应用。

　　压力传感器有多种，而基于矿山压力监测的特殊环境，矿用压力传感器主要有：振弦式压力传感器、半导体压阻式压力传感器、金属应变片式压力传感器、差动变压器式压力传感器等。这些传感器在矿产行业都有广泛的应用，具体使用哪种传感器还有根据具体的采矿环境进行选择。5.应用于促进睡眠压力传感器本身无法促进睡眠，我们只是将压力传感器放在床垫地下，由于压力传感器具有高灵敏度，当人发生翻身、心跳以及呼吸等有关的动作时，传感器会分析这一系列信息，去推断睡眠人睡觉处于一个什么状态，然后通过对传感器的分析，收集传感器的信号得到心跳和呼吸节奏等睡眠的数据，最后将所有数据处理谱成一首段的曲目，当然能将你一个晚上的睡眠压缩成一首几分钟的音乐。

　　6.应用于压缩机，空调冷设备压力传感器常用于空气压力机，以及空调制冷设备。

　　这类传感器产品外形小巧、安装方便、导压口一般采用专用阀针式设计。性能注意药液填充。

　　1） 遵照医师说明，在一个密闭的输液袋中准备肝素生理盐水（通常是0.9%的生理盐水加一定体积的水成肝磷脂）。

　　2） 打开已消毒好的传感器包，核实所有的接头均是安全的且所有的三通阀旋纽均是在所期望的位置。

　　3） 将输液器插头插入输液袋中，打开流量调节器（滚动止流夹），轻轻挤压输液袋，同时挤压传感器冲洗阀，直到将所有空气都排出输液器及所有管路。

　　4） 关闭流量调节器（滚动止流夹），将输液器放入压力护套中并悬挂在距离病人约2英尺高的挂杆上。注意：此时不要给输液袋加压。

　　5） 仔细检查系统中所有充入液体的部分，确认所有的气泡均已被排出。

　　6） 将输液袋加压到300mmHg，如果仍有气泡残留在系统中，挤压冲洗阀除去系统中所有的空气。

　　7） 将系统中三通阀的所有未使用的通道上的保护帽全部换成无孔保护帽。

　　8） 将传感器系统连接到病人身上，再次冲洗系统以便除去管路中的血液。为避免冲洗时气泡或管路中的血液凝血回到患者，要确保管路中冲入液体并且允许少量血液通过导管回流的现象。