压力传感器原理及应用称重技术Word文档格式.docx
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此外，半导体应变片横向效应非常小，蠕变和滞后也小，频率响应范围亦很宽，从静态应变至高频动态应变都能测量。
由于半导体集成化制造工艺的发展，用此技术与半导体应变片相结合，可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器，使测量系统大为简化。
但是半导体应变片也存在着很大的缺点，它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级，灵敏系数随温度变化较大它的应变—电阻特性曲线性较大，它的电阻值和灵敏系数分散性较大，不利于选配组合电桥等等。
扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。
单晶硅是各向异性材料，取向不同时特性不一样。
因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。
利用半导体压阻效应，可设计成多种类型传感器，其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本
型式。
硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。
硅膜片是核心部分，其外形状象杯故名硅杯，在硅膜上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻，经蒸镀金属电极及连线，接成惠斯登电桥再用压焊法与外引线相连。
膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔，另一侧是低压腔，通常和大气相连，也有做成真空的。
当膜片两边存在压力差时，膜片发生变形，产生应力应变，从而使扩散电阻的电阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相对应的电压，其大小就反映了膜片所受压力差值。
图压阴武压力侍感器
2、压阻式压力传感器特点
压阻式压力传感器的特点是：
灵敏度高，频率响应高；
测量范围宽，可测低至10Pa的微压到高至60Mpa
的高压；
精度高，工作可靠，其精度可达±
）.2%〜0.02%;
易于微小型化，目前国内生产出直径©
1.42mm
的压阻式压力传感器。
目前，应用最为广泛的压力传感器是压阻式压力传感。
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图4压力测壘啟大电路
3、压阻式压力传感器测量方法
硅平膜片上的扩散电阻通常构成桥式测量电路，相对的桥臂电阻对称布置，电阻变化时，电桥输出电压与膜片所受压力成对应关系。
如图4的压力测量放大电路中，R1〜R4由压敏电阻构成的直流电桥，无力作用时，通过调节RP使直流桥
输出电压为0。
R5、R6为限流电阻。
通过改变R7值可以改变放大倍数。
输出电压信号如果要作为数字信号处理，则后续电路可接A/D转换电路。
4、典型压阻式压力传感器型号及应用
、应变式压力传感器
应变式压力传感器是把压力的变化转换成电阻值的变化来进行测量的，应变片是由金属导体或半导体制成的电阻体，其阻值随压力所产生的应变而变化。
1、应变式压力传感器分类介绍
应变计中应用最多的是粘贴式应变计（即应变片）。
它的主要缺点是输岀信号小、线性范围窄，而且动态响应
较差（见电阻应变计、半导体应变计）。
但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。
按弹性敏感元件结构的不同，应变式压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式、组合式
四种。
1应变管式又称应变筒式。
它的弹性敏感元件为一端封闭的薄壁圆筒，其另一端带有法兰与被测
系统连接（图1）。
在筒壁上贴有2片或4片应变片，其中一半贴在实心部分作为温度补偿片，另一半作为测
量应变片。
当没有压力时4片应变片组成平衡的全桥式电路；
当压力作用于内腔时，圆筒变形成—腰鼓形II使
电桥失去平衡，输岀与压力成一定关系的电压。
这种传感器还可以利用活塞将被测压力转换为力传递到应变筒上或通过垂链形状的膜片传递被测压力。
应变管式压力传感器的结构简单、制造方便、适用性强，在火箭弹、炮弹和火炮的动态压力测量方面有广泛应用。
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2膜片式它的弹性敏感元件为周边固定圆形金属平膜片。
膜片受压力变形时，中心处径向应变和切向应
变均达到正的最大值，而边缘处径向应变达到负的最大值，切向应变为零。
因此常把两个应变片分别贴在正负最大应变处，并接成相邻桥臂的半桥电路以获得较大灵敏度和温度补偿作用。
采用圆形箔式应变计（见
电阻应变计）则能最大限度地利用膜片的应变效果（图2）。
这种传感器的非线性较显著。
膜片式压力传感
器的最新产品是将弹性敏感元件和应变片的作用集于单晶硅膜片一身，即采用集成电路工艺在单晶硅膜片上扩散制作电阻条，并采用周边固定结构制成的固态压力传感器（见压阻式传感器）。
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3应变梁式测量较小压力时，可采用固定梁或等强度梁的结构。
一种方法是用膜片把压力转换为力再通
过传力杆传递给应变梁。
图3中两端固定梁的最大应变处在梁的两端和中点，应变片就贴在这些地方。
这种结构还有其他形式，例如可采用悬梁与膜片或波纹管构成。
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4组合式在组合式应变压力传感器中，弹性敏感元件可分为感受元件和弹性应变元件。
感受元件把压力
转换为力传递到弹性应变元件应变最敏感的部位，而应变片则贴在弹性应变元件的最大应变处。
实际上较复杂的应变管式和应变梁式都属于这种型式。
感受元件有膜片、膜盒、波纹管、波登管等，弹性应变元件有悬臂梁、固定梁、n形梁、环形梁、薄壁筒等。
它们之间可根据不同需要组合成多种型式。
2、应变片使用方法
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。
常用的力测量方法是用应变片和应变仪测量构件的表面应变，根据应变和应力、力之间的关系，确定构件的受力状态。
应变仪采用交流电桥时，输岀特性与直流电桥（直流电桥的输岀特性）类似。
应变片的布置和电桥组接（简
称布片组桥）应根据被测量和被测对象受力分布来确定。
还应利用适当的布片组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响。
测量拉伸（压缩）应变时要采用适当的布片组桥方式，以便达到温度补偿（测轴向拉（压）时的温度补偿）、消除
弯矩影响（用双工作片消除温度的影响）和提高测量灵敏度（用四工作片提高测量的灵敏度）的目的。
常用应力测量的布片和组桥方式:
当试件受到弯矩作用时，其上、下表面会分别产生拉应变或压应变。
可通过应变测量求得弯矩，布片接桥时要注意利用电桥特性，在输出中保留弯应变的影响，消除轴向拉、压力产生的应变成分。
3、典型应变式压力传感器
三、压电式压力传感器
某些电介质沿着某一个方向受力而发生机械变形（压缩或伸长）时，其内部将发生极化现象，而在其某些表
面上会产生电荷。
当外力去掉后，它又会重新回到不带电的状态，此现象称为托电效应山压电式传感器
的原理是基于某些晶体材料的压电效应。
1、压电压力传感器的基本介绍
常用的压电材料有天然的压电晶体（如石英晶体）和压电陶瓷（如钛酸钡）两大类，它们的压电机理并不相同，压电陶瓷是人造多晶体，压电常数比石英晶体高，但机械性能和稳定性不如石英晶体好。
它们都具有较好特性，均是较理想的压电材料。
压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。
由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：
Q=kSp
式中Q为电荷量；
k为压电常数；
S为作用面积；
p为压力。
通过测量电荷量可知被测压力大小。
图3.1为一种压电式压力传感器的结构示意图。
压电元件夹于两个弹性膜片之间，压电元件的一个侧面与膜片接触并接地，另一侧面通过引线将电荷量引出。
被测压力均匀作用在膜片上，使压电元件受力而产生电荷。
电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。
除在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外，一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷，也有用高分子材料（如聚偏二氟乙稀）或复合材料的合成膜的。
更换压电元件可以改变压力的测量范围；
在配用电荷放大器时，可以用将多个压电元件并联的方式提高传感器的灵敏度；
在配用电压放大器时，可以用将多个压电元件串联的方式提高传感器的灵敏度。
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2、压电压力传感器的基本特点
压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；
测量范围宽，可测lOOMPa以下的压力；
测量精度较高；
频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力
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，特另提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。
3、压电压力传感器测量电路
由于压电式传感器的输岀电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。
（其中，测量电路的关键
在于高阻抗输入的前置放大器。
）前置放大器的作用：
一是将传感器的高阻抗输岀变换为低阻抗输岀；
二是放大传感器输出的微弱电信号。
前置放大器电路有两种形式：
一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出）成
正比；
另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。
由于电荷放大器电路的电缆长度变化
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