壓力傳感器的測量原理

一、壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器主要基于壓電效應(yīng)。他們利用電氣元件和其他機(jī)械將要測量的壓力轉(zhuǎn)化為電能，然后進(jìn)行相關(guān)的測量工作。例如，許多壓力變送器和壓力傳感器。壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為受外力作用后的電荷只有在電路輸入電阻無窮大的情況下才能被保存。但事實上，情況并非如此。因此，壓電傳感器只能用于動態(tài)測量。其主要壓電材料有:磷酸二氫銨、酒石酸鉀鈉和石英。石英上存在壓電效應(yīng)。

當(dāng)應(yīng)力變化時，電場變化很小，其他壓電晶體會取代石英。酒石酸鉀鈉具有較大的壓電系數(shù)和壓電靈敏度，只能在室內(nèi)濕度和溫度較低的地方使用。磷酸二氫銨是一種人工晶體，可在高濕、高溫環(huán)境中使用。因此，它的應(yīng)用非常廣泛。隨著技術(shù)的發(fā)展，壓電效應(yīng)在多晶體中得到了廣泛的應(yīng)用。如壓電陶瓷、鈮酸鎂壓電陶瓷、鈮酸鹽壓電陶瓷、鈦酸鋇壓電陶瓷等。

基于壓電效應(yīng)的傳感器分為機(jī)電轉(zhuǎn)換傳感器和自發(fā)傳感器。它的傳感元件由壓電材料制成。當(dāng)壓電材料受到外力時，其表面會形成電荷。經(jīng)過電荷放大、測量電路放大和阻抗變換后，電荷將轉(zhuǎn)換成與外力成正比的功率輸出。它用于測量力和可轉(zhuǎn)換為力的非電性物理量，例如:

加速度和壓力。它具有重量輕、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、信噪比高、靈敏度高、信號帶寬寬等優(yōu)點。但是它也有一些缺點:有些電壓材料不宜潮濕，所以要采取一系列防潮措施，輸出電流的響應(yīng)比較差，所以需要用電荷放大器或高輸入阻抗電路來彌補(bǔ)這個缺點，這樣儀器才能更好地工作。

二、壓阻式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器主要基于壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)用于描述材料在機(jī)械應(yīng)力作用下的電阻變化。與上面提到的壓電效應(yīng)不同，壓阻效應(yīng)只產(chǎn)生阻抗變化而不產(chǎn)生電荷。

大多數(shù)金屬和半導(dǎo)體材料已被發(fā)現(xiàn)具有壓阻效應(yīng)。其中半導(dǎo)體材料中的壓阻效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬材料中的壓阻效應(yīng)。由于硅是集成電路的主要組成部分，因此硅壓阻元件的應(yīng)用就變得非常有意義。電阻的變化不僅來自于與應(yīng)力有關(guān)的幾何變形，也來自于材料本身與應(yīng)力有關(guān)的電阻，這使其度因子比金屬大數(shù)百倍。n型硅的電阻變化主要是由于其三個導(dǎo)帶谷對的位移導(dǎo)致不同遷移率導(dǎo)帶谷之間的載流子重分布，改變了電子在不同流動方向上的遷移率。二是由于有效質(zhì)量的變化與導(dǎo)帶谷形的變化有關(guān)。在p型硅中，這種現(xiàn)象變得更加復(fù)雜，并導(dǎo)致等效質(zhì)量和空穴轉(zhuǎn)換的變化。

壓阻式壓力傳感器一般通過導(dǎo)線連接到惠斯通橋上。平時，傳感芯沒有外界壓力，橋架處于平衡狀態(tài)(稱為零位)。當(dāng)傳感器加壓后芯片電阻發(fā)生變化時，電橋?qū)⑹テ胶狻Ｈ绻陔姌蛏显黾雍懔骰蚝銐弘娫?，電橋就會輸出與壓力相對應(yīng)的電壓信號，從而使傳感器的電阻變化轉(zhuǎn)化為通過電橋輸出的壓力信號。電橋檢測電阻值的變化，將其放大，然后通過電壓和電流轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流信號。通過非線性校正回路對電流信號進(jìn)行補(bǔ)償，產(chǎn)生4~20mA標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，輸入電壓為線性。

為了減少溫度變化對核心電阻值的影響，提高測量精度，壓力傳感器采用溫度補(bǔ)償措施，使其零漂移、靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)保持在較高水平。

三電容壓力傳感器

電容式壓力傳感器是一種以電容為傳感元件，將所測壓力轉(zhuǎn)化為電容值變化的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般采用圓形金屬膜或金屬鍍膜作為電容器的電極。當(dāng)薄膜受到壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容發(fā)生變化，通過測量電路可輸出與電壓有一定關(guān)系的電信號。電容式壓力傳感器屬于極距變化式電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差電容式壓力傳感器。

該單電容壓力傳感器由圓形薄膜和固定電極組成。薄膜在壓力作用下變形，從而改變電容器的容量。它的靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比，而與薄膜的張力和薄膜與固定電極之間的距離成反比。另一種固定電極為凹球形，膜為周圍固定的張力平面。該膜可由塑料鍍金屬層制成。這種類型適用于測量低電壓和高過載能力。它也可以制成一個單電容壓力傳感器，通過使用一個帶有活塞動態(tài)極的膜片來測量高壓。這種類型可以減少膜片的直接壓縮面積，因此可以使用更薄的膜片來提高靈敏度。它還集成了各種補(bǔ)償保護(hù)單元和放大電路作為一個整體，以提高抗干擾能力。該傳感器適用于飛行器動態(tài)高壓測量和遙測。單電容壓力傳感器也有傳聲器型(即傳聲器型)和聽診器型。