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压力传感器主要分为哪些类型?

按不同的测试压力类型,压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。

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压力传感器主要根据其工作原理和核心敏感元件进行分类。以下是几种最常见和广泛应用的类型:

  1. 应变式压力传感器:

    • 原理: 利用金属应变片或半导体压阻元件。当压力作用在弹性敏感元件(如膜片、梁)上时,弹性元件发生形变,粘贴/沉积在其表面的应变片也随之形变,导致其电阻值发生变化。测量这个电阻变化(通常通过惠斯通电桥电路)即可推算出压力。
    • 特点: 技术成熟、结构牢固、性能稳定可靠、测量范围宽、精度较高、成本相对适中。是工业领域最常见的类型之一。
  2. 压阻式压力传感器:

    • 原理: 这是一种特殊的应变式传感器,核心敏感元件是硅压阻芯片。利用硅的压阻效应:单晶硅材料在受到压力时,其晶格结构发生微小变化,导致电阻率显著变化。硅膜片受压变形,其上集成的压敏电阻阻值发生变化,通过电路测量电阻差得到压力值。
    • 特点: 体积小、功耗低、灵敏度高、频率响应好、易于微型化和大批量生产(MEMS技术)、精度高。是目前应用最广泛的类型之一,尤其在现代电子设备、汽车、医疗等领域。
  3. 压电式压力传感器:

    • 原理: 利用压电材料(如石英晶体、压电陶瓷)的压电效应:某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而变形时,其内部会产生极化现象,同时在两个相对表面上产生极性相反的电荷。当外力撤去后,又恢复到不带电状态。传感器将压力信号转换为电荷信号输出。
    • 特点: 频响极高(可达MHz级)、刚性高、可测非常高的压力峰值或超高压、动态特性好、体积可做小。不适合测量静态或缓慢变化的压力,因为产生的电荷会泄漏。主要用于动态压力测量(如爆炸、燃烧、高频振动)。
  4. 电容式压力传感器:

    • 原理: 利用可变电容器。核心敏感元件通常是由金属或镀金属膜片构成的两个平行电极板。其中一个电极板是弹性膜片。当压力作用在膜片上使其发生形变时,两电极之间的距离(或有效面积)发生变化,从而导致电容值改变。通过测量电容变化即可得到压力值。
    • 特点: 灵敏度高、动态响应好、功耗低、温度稳定性好、过载能力强、结构相对简单、对被测量介质影响小。对震动敏感,电路可能稍复杂。广泛应用于低压、微压、差压测量,以及要求精度高、稳定性好的场合(如气象、半导体制造)。
  5. 陶瓷压阻/厚膜压力传感器:

    • 原理: 一种改进的压阻式/应变式传感器。直接感压膜片通常是高韧性陶瓷(如氧化铝、氮化铝)。在陶瓷膜片背面用厚膜印刷烧结工艺沉积制作电阻网络(惠斯通电桥)。膜片在压力下变形引起印刷电阻阻值变化。
    • 特点: 耐腐蚀、耐磨损、耐高温、抗过载能力强、成本较低(相对于单晶硅)、介质兼容性好(陶瓷本身惰性)。适用于恶劣环境下的压力测量,如化工、医疗灭菌、食品饮料、发动机测试等。
  6. 其他类型:

    • 谐振式压力传感器: 利用压力改变谐振元件(如音叉、石英梁)的固有频率来测量压力。精度极高,但结构复杂,成本高。
    • 光纤压力传感器: 利用光纤技术,通过检测光强、相位或波长等参数随压力的变化来测量。抗电磁干扰能力强,适用于易燃易爆、强电磁干扰等特殊环境。
    • 电感式/差动变压器式(LVDT)压力传感器: 利用压力引起铁芯移动改变线圈互感来测量。结构相对复杂。
    • 电位计式压力传感器: 利用滑动触点或电阻值的变化。精度和寿命通常不如上述类型。

总结:

最常见的压力传感器类型包括:

选择哪种类型主要取决于应用场景的具体要求,如测量范围、精度、介质特性、温度范围、动态响应、成本、封装要求、环境条件(腐蚀、振动等)。应变式和压阻式(特别是MEMS)是目前市场占有率最高的通用类型。

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