五种压力传感器测量原理解析

压力传感器均采用温度补偿措施，使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平，以减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度。由于薄膜受压力变形，电容器容量随之发生变化，其灵敏度与薄膜面积、薄膜压力成正比，与薄膜张力、薄膜到固定电极距离成反比。

自动控制技术的进步推动了工业设备的更新。在工业设备中，除液柱压力计、弹性压力计外，还采用了压力变送器和能将压力转换为电信号的传感器。因此，这些压力传感器和压力信号是如何被转换成电子信号的呢？今日小编就为大家汇总出几种最常用的压力传感器的测量原理，一起来做个足瘾吧！

一、压电式压力传感器

根据压电效应(Piezoelectriceffect)，利用电子元件和其它机械，将待测压力转化为电量，然后再进行相关测量工作的精密测量仪器。压电式传感器只能用于动态测量中。压电材料有：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠、石英等。随著科技的发展，压电效应也被应用到多晶中。如铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷等，均包括在内。

采用压电效应作为工作原理的BA4558F传感器分为机电转换型和自动机型两种。其感光元件采用压电材料制成。在外力作用下，压电材料的表面会产生电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大和变换阻抗后，会转化为与外力成正比的电能输出。可转化为力的非电物理量，如加速度、压力等，可用来测量。

它具有重量轻，工作可靠，结构简单，信噪比高，灵敏度高，信频宽等优点。

不足之处在于：有些电压材料忌湿，因此需要采取一系列防潮措施；而且输出电流响应较差，则需采用电荷放大器或高输入阻抗电路来弥补这一不足。

二、压阻式压力传感器

压阻效应用于描述受机械应力作用下材料的电阻变化。与压电效应不同的是，压阻效应仅引起阻抗的变化，而没有电荷的产生。研究发现，大部分金属材料和半导体材料具有压阻效应。因为硅是当今集成电路的主要材料，所以用硅制成的压阻元件的应用就显得十分重要。电阻率的变化不仅来自与应力有关的几何变形，还来自材料本身的电阻率，电阻率的影响因素比金属的影响大几百倍。

压阻式压力传感器一般都是通过导线与惠斯登电桥连接的。正常情况下，灵敏芯体不受外压作用，电桥处于平衡状态(称为零位)，当芯片电阻在压力作用下改变时，电桥将失去平衡。如果在电桥上加一个恒定电流或电压电源，电桥就会输出相应于压力的电压信号，通过电桥将传感器的电阻变化转换为压力信号输出。通过对电阻值的检测，电桥检测到电阻的变化，然后进行电压电流的放大和转换，将电流信号转换为相应的电流信号，即通过非线性校正环的补偿，得到4~20毫安的标准输出信号，其对应于输入电压为线性。

压力传感器均采用温度补偿措施，使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平，以减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度。

三、电容式压力传感器

以电容为灵敏元件，把测量的压力转换为改变电容值的压力传感器。该压力传感器一般采用圆形金属膜或金属膜作为电容器的电极，当薄膜感受到压力而变形时，薄膜和固定电极之间形成的电容量就会发生变化，通过测量电路就可以输出与电压有一定关系的电信号。本发明的电容式压力传感器是一种变极性的电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和微分电容式压力传感器。

一种电容式压力传感器是由环形薄膜和固定电极组成。由于薄膜受压力变形，电容器容量随之发生变化，其灵敏度与薄膜面积、薄膜压力成正比，与薄膜张力、薄膜到固定电极距离成反比。二是固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的方法制作。本型适用于低电压测量，具有高过载能力。也可用活塞式动极膜片制作成单电容式测量高压压力传感器。该结构可以减少膜片的直接受压面积，使膜片变薄，提高灵敏度。同时将其与各种补偿和保护以及放大电路进行集成，以提高抗干扰能力。该传感器可用于动态高压的测量和飞行器的遥测。单一电容式压力传感器也有传声器型(即话筒型)和听诊器型等。

微分电容式压力传感器，其受压膜片电极位于两固定电极之间，构成两电容器。电容受压时，电容容量增加，另一种电容容量相应减少，测量结果由差动电路输出。其固定电极是在凹凸弯曲的玻璃表面涂覆金属层。膜片受凹面保护，过载时不会破裂。微分电容式压力传感器比单一电容式的灵敏度高，线性度好，但是加工比较困难(尤其是对称性很难保证)，而且无法实现测量时气体或液体的隔离，所以不适合在有腐蚀性或杂质的流体中工作。

1.电磁式压力传感器

根据电磁原理制作的传感器统称为电磁压力传感器，主要有电感式压力传感器，霍尔式压力传感器，涡流式压力传感器等。

2.感应式压力传感器

由于磁性材料和磁导率的差异，电感式压力传感器的工作原理是在膜片受压时，气隙大小发生变化，气隙大小影响线圈电感的变化，处理电路可将这种电感的变化转换为相应的信号输出，从而实现压力测量。根据磁路的变化，压力传感器可分为两种：变磁阻和变磁导。电感压力传感器具有高灵敏度和大范围的测量范围，其缺点是不能用于高频动态环境。

变磁阻压力传感器的主要部件为铁芯跟隔膜。两条腿之间的气隙形成磁路。在压力的作用下，气隙的大小改变，即磁阻也随之改变。若给铁心线圈加电压，电流就会随空气间隙而改变，因此可以测量出压力。

对于高通量的情况，可采用变磁导压力传感器测量，因为铁磁材料的导磁率是不稳定的。变磁导压力传感器用活动磁件代替铁芯，由于压力的变化引起磁件移动，从而引起磁导率的改变，从而得到压力值。

3.第二级压力传感器

Hole压力传感器是基于某些半导体材料产生的Hole效应。当固态导体被置于磁场中，并且有电流通过时，导电体中的电荷载子会受到洛伦兹力的作用而发生偏移，从而产生电压(霍尔电压)。由电压引起的场力将平衡洛伦兹力。利用霍尔电压的极性可以证明导体内的电流是由带负电粒子(自由电子)的运动引起的。

向导线垂直于电流的方向施加磁场，会使导线中的电子受到洛伦兹力的聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，这个电场会平衡掉由磁场引起的洛伦兹力，使后一电子顺利通过而不会发生偏移，这就是霍尔效应。这种内部产生的电压叫做霍尔电压。

在一交变磁场中，霍尔电动势也是同频率的，霍尔电动势的建立时间很短，因此它的响应频率很高。用于霍尔元件的材料大多为半导体，其中包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs和多层半导体质结构。

四、旋涡电流式压力传感器

根据电涡流效应，由一个移动的磁场与一个金属导体相交或由一个移动的金属导体与磁场垂直交会而产生。简单地说，就是电磁感应。这一运动产生的电流在导体中循环。旋涡特性使得旋涡检测具有零频响应等特点，因此旋涡压力传感器可以用来进行静力检测。

五、是振动式压力传感器

振动式压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量精度很高，因为时间和频率是物理量参数，可以精确测量，而且在传输时可以忽略电缆电阻、电感、电容等因素的影响。与此同时，振弦式压力传感器还具有零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定等特点，便于数据传输、处理和存储，易于实现仪表的数字化，因此，振弦式压力传感器也可作为传感器技术发展的方向之一。

振动弦压力传感器的敏感元件为拉弦，其固有频率与拉弦强度有关。弦长是固定的，弦长的振动频率可以用来测量拉力的大小，也就是说，输入的是力信号，输出的是频率信号。振动式压力传感器分为上下两部分，下部分主要由敏感元件组成。上面的部件是铝制外壳，包括一个电子模块和一个接线端子，它被划分为两个小室，以便接线时不会影响电子模块室的密封。

振动式压力传感器可选择输出电流类型和输出频率类型。振动式压力传感器在工作时，振弦因其共振频率而不断振动，当测得的压力改变时，频率就会发生改变，该频率信号通过转换器转换成4~20毫安的电流信号。