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散壓敏電阻，當硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。

　　壓阻式具有極低的價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散電阻，以此擴散電阻的傳感器稱為擴散型壓阻傳感器。

　　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，輸出信號有時不必放大即可直接進行測量記錄。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)變至高頻動態(tài)應(yīng)變都能測量。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，使測量系統(tǒng)大為簡化。但是半導(dǎo)體應(yīng)變片也存在著很大的缺點，它的電阻溫度系統(tǒng)要比金屬電阻變化大一個數(shù)量級，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。

　　擴散型壓阻式傳感器???擴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，取向不同時特性不一樣。因此必須根據(jù)傳感器受力變形情況來加工制作擴散硅敏感電阻膜片。

　　利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可設(shè)計成多種類型傳感器，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)體工藝中的擴散摻雜法做成四個相等的電阻，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。當膜片兩邊存在壓力差時，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而使擴散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相對應(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

　　壓阻式壓力傳感器的特點是：靈敏度高，頻率響應(yīng)高；測量范圍寬，可測低至10Pa的微壓到高至60Mpa的高壓；精度高，工作可靠，其精度可達±0.2％～0.02％；易于微小型化，目前國內(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量方法

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

　　如圖4的壓力測量放大電路中，R1~R4由壓敏電阻構(gòu)成的直流電橋，無力作用時，通過調(diào)節(jié)RP使直流橋輸出電壓為0。R5、R6為限流電阻。通過改變R7值可以改變放大倍數(shù)。輸出電壓信號如果要作為數(shù)字信號處理，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進行測量的，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)變計中應(yīng)用最多的是粘貼式應(yīng)變計(即應(yīng)變片)。它的主要缺點是輸出信號小、線性范圍窄,而且動態(tài)響應(yīng)較差(見電阻應(yīng)變計、半導(dǎo)體應(yīng)變計)。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)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合，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，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應(yīng)變片。當沒有壓力時?4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內(nèi)腔時,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壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應(yīng)用。??

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　?、谀て?　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，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達到負的最大值，切向應(yīng)變?yōu)榱?。因此常把兩個應(yīng)變片分別貼在正負最大應(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償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(見電阻應(yīng)變計)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（見壓阻式傳感器）。

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③應(yīng)變梁式?　測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結(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，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)變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變元件應(yīng)變最敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變元件的最大應(yīng)變處。實際上較復(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)變元件有懸臂梁、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)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學應(yīng)變基體上，當基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，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，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)換和cpu）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。

常用的力測量方法是用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測量構(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，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（簡稱布片組橋）應(yīng)根據(jù)被測量和被測對象受力分布來確定。還應(yīng)利用適當?shù)牟计M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響。

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

常用應(yīng)力測量的布片和組橋方式:?當試件受到彎矩作用時，其上、下表面會分別產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變?？赏ㄟ^應(yīng)變測量求得彎矩，布片接橋時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)沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形(壓縮或伸長)時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當外力去掉后，它又會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)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(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。通過測量電荷量可知被測壓力大小。

圖3.1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測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，輸出信號與被測壓力值相對應(yīng)。?
????除在校準用的標準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量范圍；在配用電荷放大器時，可以用將多個壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時，可以用將多個壓電元件串聯(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
?????壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達30kHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，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)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力。?
?????壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(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測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測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。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。
????壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因為測量動態(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、壓電壓力傳感器測量電路

由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測量電路的關(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。

?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度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，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

四、電容式壓力傳感器

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

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）