1 ,、應(yīng)變片壓力傳感器原理與應(yīng)用
力學傳感器的種類繁多,，如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導體應(yīng)變片壓力傳感器,、壓阻式
壓力傳感器,、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳
感器等,。但應(yīng)用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器,，它具有極低的價格和較高的精度以及較好
的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器,。
在了解壓阻式力傳感器時,，我們首先認識一下電阻應(yīng)變片這種元件。電阻應(yīng)變片是一種
將被測件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號的敏感器件,。它是壓阻式應(yīng)變傳感器的主要組成
部分之一,。電阻應(yīng)變片應(yīng)用最多的是金屬電阻應(yīng)變片和半導體應(yīng)變片兩種。金屬電阻應(yīng)變片
又有絲狀應(yīng)變片和金屬箔狀應(yīng)變片兩種,。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),。
金屬電阻應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
如圖1 所示,，是電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖，它由基體材料,、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔,、絕緣
保護片和引出線等部分組成。根據(jù)不同的用途,，電阻應(yīng)變片的阻值可以由設(shè)計者設(shè)計,，但電
阻的取值范圍應(yīng)注意：阻值太小，所需的驅(qū)動電流太大,，同時應(yīng)變片的發(fā)熱致使本身的溫度
過高,，不同的環(huán)境中使用，使應(yīng)變片的阻值變化太大,，輸出零點漂移明顯,，調(diào)零電路過于復
雜。而電阻太大,，阻抗太高,，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右,。
電阻應(yīng)變片的工作原理
金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是吸附在基體材料上應(yīng)變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的
現(xiàn)象,，俗稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率（Ω。cm2/m ）
S ——導體的截面積（cm2 ）
L ——導體的長度（m ）
我們以金屬絲應(yīng)變電阻為例,，當金屬絲受外力作用時,，其長度和截面積都會發(fā)生變化，
從上式中可很容易看出,，其電阻值即會發(fā)生改變,，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度
增加,，而截面積減少,，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時,，長度減小而截面增
加,，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化（通常是測量電阻兩端的電壓）,，即可獲得
應(yīng)變金屬絲的應(yīng)變情
2 ,、陶瓷壓力傳感器原理及應(yīng)用
抗腐蝕的陶瓷壓力傳感器沒有液體的傳遞，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面,，使膜片
產(chǎn)生微小的形變,，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個惠斯通電橋（閉橋）,，由于
壓敏電阻的壓阻效應(yīng),，使電橋產(chǎn)生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的電
壓信號,，標準的信號根據(jù)壓力量程的不同標定為2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等,，可以和應(yīng)變式傳
感器相兼容。通過激光標定,，傳感器具有很高的溫度穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性,，傳感器自帶溫度
補償0 ～70℃，并可以和絕大多數(shù)介質(zhì)直接接觸,。
陶瓷是一種公認的高彈性,、抗腐蝕、抗磨損,、抗沖擊和振動的材料。陶瓷的熱穩(wěn)定特性
及它的厚膜電阻可以使它的工作溫度范圍高達-40 ～135 ℃,，而且具有測量的高精度,、高穩(wěn)
定性。電氣絕緣程度>2kV,，輸出信號強,，長期穩(wěn)定性好。高特性，低價格的陶瓷傳感器將是
壓力傳感器的發(fā)展方向,，在歐美國家有全面替代其它類型傳感器的趨勢,，在中國也越來越多
的用戶使用陶瓷傳感器替代擴散硅壓力傳感器。
3 ,、擴散硅壓力傳感器原理及應(yīng)用
工作原理被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷）,，使膜片產(chǎn)生與
介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化,，和用電子線路檢測這一變化,，并轉(zhuǎn)
換輸出一個對應(yīng)于這一壓力的標準測量信號。
原理圖
4 ,、藍寶石壓力傳感器原理與應(yīng)用
利用應(yīng)變電阻式工作原理,，采用硅- 藍寶石作為半導體敏感元件，具有無與倫比的計量
特性,。
藍寶石系由單晶體絕緣體元素組成,，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象,；藍寶石比硅要堅
固,，硬度更高，不怕形變,；藍寶石有著非常好的彈性和絕緣特性（1000 OC 以內(nèi)）,，因此，
利用硅- 藍寶石制造的半導體敏感元件,，對溫度變化不敏感,，即使在高溫條件下，也有著很
好的工作特性,；藍寶石的抗輻射特性極強,；另外，硅- 藍寶石半導體敏感元件,，無p-n 漂移,，
因此，從根本上簡化了制造工藝,，提高了重復性,，確保了高成品率。
用硅- 藍寶石半導體敏感元件制造的壓力傳感器和變送器,，可在最惡劣的工作條件下正
常工作,，并且可靠性高、精度好,、溫度誤差極小,、性價比高,。
表壓壓力傳感器和變送器由雙膜片構(gòu)成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。印刷有異
質(zhì)外延性應(yīng)變靈敏電橋電路的藍寶石薄片,，被焊接在鈦合金測量膜片上,。被測壓力傳送到接
收膜片上（接收膜片與測量膜片之間用拉桿堅固的連接在一起）。在壓力的作用下,，鈦合金
接收膜片產(chǎn)生形變,，該形變被硅- 藍寶石敏感元件感知后，其電橋輸出會發(fā)生變化,，變化的
幅度與被測壓力成正比,。
傳感器的電路能夠保證應(yīng)變電橋電路的供電，并將應(yīng)變電橋的失衡信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電
信號輸出（0-5 ,，4-20mA或0-5V）,。在絕壓壓力傳感器和變送器中，藍寶石薄片,，與陶瓷基
極玻璃焊料連接在一起,，起到了彈性元件的作用，將被測壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片形變,，從而達到
壓力測量的目的,。
5 、壓電壓力傳感器原理與應(yīng)用
壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英,、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺,。其中石英
（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應(yīng)就是在這種晶體中發(fā)現(xiàn)的,，在一定的溫度范圍之內(nèi),，
壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個范圍之后,，壓電性質(zhì)完全消失（這個高溫就是所謂的
“居里點”）,。由于隨著應(yīng)力的變化電場變化微小（也就說壓電系數(shù)比較低）,，所以石英逐
漸被其他的壓電晶體所替代,。而酒石酸鉀鈉具有很大的壓電靈敏度和壓電系數(shù)，但是它只能
在室溫和濕度比較低的環(huán)境下才能夠應(yīng)用,。磷酸二氫胺屬于人造晶體,，能夠承受高溫和相當
高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,。
現(xiàn)在壓電效應(yīng)也應(yīng)用在多晶體上,，比如現(xiàn)在的壓電陶瓷，包括鈦酸鋇壓電陶瓷,、PZT ,、
鈮酸鹽系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等等,。
壓電效應(yīng)是壓電傳感器的主要工作原理,，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,。