压力传感器技术解析

第一篇：压力传感器技术解析

压力传感器技术解析

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

在了解压阻式压力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/DCPU

金属电阻应变片的内部结构

减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。

陶瓷压力传感器

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度大于2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有替代诸多类型传感器的趋势，在中国越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

扩散硅压力传感器

被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），出一个对应于这一压力的标准测量信号。

蓝宝石压力传感器

利用应变电阻式工作原理，采用硅-具有无与伦比的计量特性。

--蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，用硅可在最恶劣的工作条件下

（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固地连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（4~20mA或0~5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

压电式压力传感器

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于它随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

第二篇：压力传感器总结报告

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汽车压力传感器检测系统研究报告

本系统是根据用户技术要求，针对TMAP传感器进行批量生产时出厂检验和试验室性能测试。本检测台可同时进行12个传感器的检验，并自动对每个被检测传感器进行合格判定。

一． 设计依据

用户提出的技术要求

二． 功能描述

检测台专用于生产厂家压力传感器器的自动检验。可同时进行12只传感器的5点压力校验。

计算机精确控制测试回路压力处于依次升高的5个压力点（5个压力点的压力值由用户依据不同产品型号事先设定），并通过高精度标准压力传感器测得每个压力点的实际压力值测传感器的输出电压V1，V2，……V12。

计算机根据该型号传感器的理想特性线与的理论标准输出电压值

P标准，同时采集12个被

P标准计算被测传感器

V标准，同时计算12个传感器的当前输出电压V1，V2，……V12与V标准的差值V1，V2，……V12，与设定的允许误差范围红色显示。

1－10 V允许比较，并自动合格判断，不合格参数高亮或中国计量学院精密测控研究所 电话0571－86914563

以上12个传感器的所有测试数据均由计算机软件界面通过数据表格列表显示。

用户通过软件预先设定对应于某型号传感器的5点压力值与输出电压，计算机软件根据设定自动确定理想特性线，并与传感器型号绑定保存，测试时用户只需从列表中选择被测传感器型号即可。

传感器输出信号的允许公差范围可由用户设定，并显示于软件主界面上，对每个传感器进行合格判断时依据此参数。

三． 主要配置与技术指标

1、真空泵：RS-1A型 / 排量1L/min

2、气 泵：WY5.2-A型 / 排量13L/min / 105W

3、真空比例阀：日本CKD EV2100V /0～-101.3 KPa

4、气压比例阀：日本SMC ITV1090/0-600KPa，双阀控制

5、电磁阀：日本CKD品牌，压力范围(0～1.0)MPa

6、标准压力测量：MPM281型/(0～600)kPa 绝压/0.05级精度

7、测试压力显示：检测台面板数字显示，显示精度1KPa；

8、测试端口压力输出：控制范围0-600KPa绝压，控制精度±2.5Kpa，压力稳定度±0.5KPa；

9、压力输出端口数量：12个，预留2个

10、可调稳压电源：电压0-30V可调，最大电流3A；工作电压检测台面板数字显示，显示精度：0.01V。

11、数据采集：台湾研华16位（精度1/65525）采集卡，最高

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采样率100K，16个模拟输入端口，16路I/O输入，16路I/O输出。

12、计算机系统：P4 2.8G/2G内存/250G硬盘，配17寸液晶显示器，惠普/佳能彩色喷墨打印机

13、软件基本要求：界面美观、方便操作；被测12个传感器依据用户需求表格显示，传感器电压显示精度：0.001V；具有数据打印和自动存储功能；能够进行灵活的参数设置与显示，参数设置界面输入密码才能进入。

四． 系统特点

1． 独立操作控制台，配液晶显示、彩色打印机，实现控制、参数设置、结果显示，并数据保存、查询、打印； 2． 设计有12个压力端口，可同时进行12个产品的测试。3． 系统由计算机控制，绝大部分测试工作，可根据设置好的参数自动完成。

4． 用VC++编写的软件功能强大，使用方便，参数设置灵活，测试曲线计算机自动实时显示。

5． 采取比例阀+反馈控制，实现压力控制的精度与稳定性。6． 检测台配启动、停止按钮，实现测试流程一键开始与一键停止功能。

五． 测试原理与方法

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1.软件主界面与操作步骤：

测试过程计算机实时进行高速数据采集，实时控制并显示测试数据与曲线。软件界面友好，参数可灵活设置。

图1 软件主界面示意图（参考）

此测试界面只作为参考界面设计过程中可根据实际检测内容进行更改

软件界面上根据产品型号自动显示电压—压力计算公式：Vout=Vcc ×(0.009P —0.095)；传感器测试台在实际量产时的测试基本不需要人为干预，完全按照软件设定的参数进行自动检测。具体实现步骤如下：

1． 首先需要对软件进行参数设置，比如选择型号、设定其对应的标准输出、允许范围等参数后，使用软件的[开始]按钮或操作台的开始按钮后系统开始运行。

2． 计算机系统自动控制打开真空泵或气泵及相应的电磁阀，通过比例控制器将压力控制在压力点一：15kPa（此压力可根据不同产品型

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号而设定），稳压一定时间后，采集第一组数据并显示在软件上，并且自动计算各个被测传感器误差。（气压转换稳定时间约5S，高压力点下稳定时间会增加2-3S。）

3． 测试完第一压力点后，计算机系统通过控制器自动将压力控制在第二压力点45kPa（此压力可根据不同产品型号而设定），稳压一定时间后，采集第一组数据并显示在软件上，并且自动计算各个被测传感器误差。

4． 同样的方法与步骤测试第三、四、五压力点。

5． 数据测试结束后，系统根据软件设定好的最大允许误差自动判定产品是否合格并显示在软件上（底色加亮或红色显示）。并根据此次测试结果对测试总数、不合格数及合格率自动计算并调整。

完成本次测试时，面板报警组件会依据合格与否进行指示，不合格会蜂鸣报警。2.测试参数设置：

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图2.参数设置界面示意图

菜单栏上点击“参数设置”按钮，输入密码，进入上述参数界面，界面①区当中显示当前压力传感器型号的参数值，若要选其他压力传感器的型号，可在界面②的列表区当中选择。若要添加一种新的电磁阀型号，按添加按钮，弹出对话框，输入这种型号的电磁阀的需要输入的参数（型号、误差、压力、误差）。若要删除某种传感器型号，在“传感器型号列表”选择某种传感器型号，按删除按钮。若要修改某种传感器型号的参数，在“传感器型号列表”中选择某种传感器型号，点击配置参数，弹出对话框，输入这种型号的电磁阀的需要修改的参数（型号、误差、压力、误差）。其中某种型号压力、电压值的输入后，软件可自动根据输入点的参数，算出这种型号的压力传感器的线性参数，为压力传感器的测量提供依据。

3.双压力源设计：

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被测传感器品种多，工作压力范围覆盖绝压0~600KPa)，因此压力源设计为双压力源，包括气压与真空各一套压力发生与调节装置。

正压发生装置包括小型低噪音气泵与电气比例阀，真空发生装置为真空泵与真空比例阀。正压与负压共用一压力罐，两种压力源之间通过电磁阀由计算机控制自动切换。

双比例阀设计可使得正压与真空源各自独立控制，控制精度更高。

正压自动压力发生装置主要分为两个部分，即压力发生部件和压力测量部件。其中压力发生采用外置气源（如氮气瓶或小型气泵等）和真空泵。而压力测量部件主要采用高精度压力传感器对管路压力进行测量，并将测试结果显示在仪表上（或发送至计算机）。4.测试压力的精确控制：

系统真空压力与正压压力控制采用真空比例阀+电气比例阀+高精度传感器的设计方案，实现测试压力的反馈控制。控制系统根据根据高精度压力传感器测量值与压力设定值相比较，控制调节进气阀和排气阀的动作，从而使测试压力得到精确控制。

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图3 比例阀反馈控制示意图

六． 检测台架构：

1． 控制柜

台架用铝型材配以喷塑面板，构成独立控制柜：内置工控机、液晶显示器与数据采集与控制系统，显示面板布置有电压、电流显示，测试压力显示，报警组件等。(测试气压、供电电压、供电电流均可在测试台面板上以数显方式显示，输出电压值计算机软件界面以数字方式显示。)

图4 检测台外形图

2． 计算机控制与数据采集处理系统：

计算机系统：P4 2.8G/2G内存/250G硬盘，配17寸液晶显示器，惠普/佳能彩色喷墨打印机。

数据采集系统：采用多功能PCI总线数据采集卡，具有16位 A/D

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转换器, 采样速率可达 100kHz，16 路单端模拟量输入。满足了系统高速实时、高精度采样的要求。

开关量输出：数据采集卡通过20芯扁平电缆接口连接到功率继电器输出板,实现系统的开关动作。它带有16个SPST继电器通道,同时拥有最大的额定接触功率(250VAC @5A或30VDC @5A)，可以控制系统中的电磁阀与真空泵等。

I/O输入：数据采集卡通过20芯扁平电缆接口连接到I/O输入接口板,实现启动、停止按钮信号的输入。

图5 数据采集与控制示意图

3． 测试工装：

工装夹具设计充分考虑到不同产品的测试要求，可灵活更换，并进行防腐蚀处理。接口气路板有12个压力接口，可同时进行12个传感器检测。压力接口与被测传感器设计设计有过渡接口，过渡接口一端通过相应的螺纹接口与被测压力传感器相配合，另外一端靠四个

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安装螺丝与接口气路板连接，并靠压紧嵌在接口气路板凹槽内的O形圈来实现密封。

图6 传感器气路接口示意图

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第三篇：压力传感器工作原理

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

1、应变片压力传感器原理与应用：

在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。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。

1．1、金属电阻应变片的内部结构：它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

1．2、电阻应变片的工作原理：金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：

式中： ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变压力。

2、陶瓷压力传感器原理及应用：抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯登电路闭桥，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并与绝大多数介质直接接触。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器原理及应用：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。

4、蓝宝石压力传感器原理与应用

利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。

蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。

用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，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，特别是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。

第四篇：毕业设计——压力传感器设计

应变式力传感器的设计

专

业 班

级 学

号 姓

名 指导教师

自动化 07084310 200713072005 王帅 刘涛

传感器技术及应用大作业

摘要

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压电传感器。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，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。关键词：压力

I

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目录

摘要.............................................................................................................................I 第1 章

绪论..............................................................................................................1 1.1

背景.............................................................................................................1 1.2

应用实例.....................................................................................................1 第2章

原理分析.......................................................................................................3 2.1

工作原理.....................................................................................................3 第3章

实现过程.......................................................................................................5 3.1

电路图设计................................................................................................5 3.2

电路仿真....................................................................................................6 心得体会........................................................................................................................8

II

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第1 章

绪论

1.1

背景

压力传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

早在1954年美国C.S.Smith首先确认了半导体压电效应，1955年C.Herring指出：这种压电电阻效应是由于应力的作用，引起导体与价电子带能量状态的变化，以及载流子数量与迁移率变化所产生的一种现象。日本从1970年开始研究开发，首先应用在血压计上，之后在过程控制领域及轿车发动机控制部分都获得了广泛的应用。最近几年在家用电器、装配机器人等应用领域普遍采用电子压力传感器作为压力控制、压力监控和判断真空吸附的效果。

图1 电子压力传感器模型

1.2

设计目的

图2是压力传感器在全自动洗衣机中的应用实例。如图所示，利用气室，将在不同水位情况下水压的变化，作为空气压力的变化检测出来，从而可以在设定的水位上自动停止向洗衣机注水。

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图2 压力传感器在全自动洗衣机中的应用

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第2章

原理分析

2.1

工作原理

图1为PS压力传感器的截面结构图，图2为其传感器部分的结构。如图所示，在压力传感器半导体硅片上有一层扩散电阻体，如果对这一电阻体施加压力，由于压电电阻效应，其电阻值将发生变化。受到应变的部分，即膜片由于容易感压而变薄，为了减缓来自传感器底座应力的影响，将压力传感器片安装在玻璃基座上。

如图2（b）所示，当向空腔部分加上一定的压力时，膜片受到一定程度的拉伸或收缩而产生形变。压电电阻的排列方法如图3所示，受到拉伸的电阻R2和R4的阻值增加；受到压缩的电阻R1和R3阻值减小。

图4

由于各压电电阻如图4那样组成桥路结构，如果将它们连接到恒流源上，则由于压力的增减，将在输出端获得输出电压ΔV，当压力为零时的ΔV等于偏置电压Voffset,在理想状态下我们希望Voffset=0V，传感器技术及应用大作业

实际上在生成扩散电阻体时，由于所形成的扩散电阻体尺寸大小的不同和存在杂质浓度的微小差异，因此总是有某个电压值存在。压力为零时，R1=R2=R3=R4=R，我们把加上一定压力时R1、R2电阻的变化部分记作ΔR；相应R3、R4电阻的变化部分记作-ΔR，于是ΔV=ΔRI。

这个ΔV相对压力呈现几乎完全线性的特性，只是随着温度的变化而有所改变。

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第3章 实现过程

3.1 电路图设计

图5是PS压力传感器的外围电路设计实例，图中用恒流源来驱动压力传感器。

图5 压力传感器设计电路

由于桥路失衡时的输出电压比较小，所以必须用运放IC1b和IC1C来进行放大。图中VR1为偏置调整，VR2为压力灵敏度调整，VR3为没有加压时输出电压调整，C1、C2用于去除噪声。另外，如果电源电压波动的话，将引起输出电压的变化，所以必须给电路提供一个稳定的电源。

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3.2 电路仿真

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心得体会

传感器技术是一门理论性和实践性都很强的专业基础课，也是一门综合性的技术基础学科，它需要数学、物理学、电子学、力学、机械等知识，同时还要掌握各种物理量的变换原理、各种静态和动态物理量（如力、振动、噪声、压力和温度等）的测定，以及实验装置的设计和数据分析等方面所涉及的基础理论。在做此次实验前，我把老师所讲的传感器教材通读了一遍，对传感技术有了一定得了解。因为在这之前，没有接触过类似的课程设计，所以这次实验，我感觉有些困难。

传感技术是一门综合性的课程知识，想做好这次实验，必须要有较好的理论知识，例如：电路，模电，还有画图时，也要用软件画图multisim仿真软件的使用。只有熟悉了这些们课程才能真正的完成这次实验。首先，是电路图的设计，要明白传感器的原理及在电路中的作用是什么。虽然最终设计出的电路图不是很复杂，但是也是几经周折。其次，是在multisim中连接电路元件，让我进一步得熟悉了这个软件的功能，并能运用自如。虽然画图时比较麻烦，经过大概一个小时的时间才画完，但看着自己画的图，觉得很有成就感。最后，是电路的仿真，者可以说是最关键的一部了，前面所有的工作都是在为它打基础，一旦仿真失败就意味着所有得努力可能全部白费。仿真的结果虽然显示出数字来了，但是和是要得要求相差很远。因此，就一次一次的调试，改变电阻的阻值，以及滑动变阻器的阻值，最终把结果调试出来了。

通过这次传感器技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.在这次实验的过程中我们要培养自己的独立分析问题，和解决问题的能力。在调试电路图的过程中，要自己学会思考。

最后，通过这次实验我不但对理论知识有了更加深刻的理解，更加增强了我的综合能力，希望以后能多有这样的作业，使我们能把所学的专业知识实践运用。使我们整体对各个方面都得到了不少的提高让我们得到更好的锻炼。

第五篇：压力传感器原理及应用

压力传感器原理及应用

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业，下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用

1、应变片压力传感器原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。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。金属电阻应变片的内部结构点击浏览该文件如图1所示，是电阻应变片的结构示意图，它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。电阻应变片的工作原理金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示： 式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω·cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情

2、陶瓷压力传感器原理及应用抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定为2.0 / 3.0 / 3.3 mV/V等，可以和应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质直接接触。陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料。陶瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度>2kV，输出信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器原理及应用 工作原理 被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。原理图 点击浏览该文件

4、蓝宝石压力传感器原理与应用利用应变电阻式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（1000 OC以内），因此，利用硅-蓝宝石制造的半导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅-蓝宝石半导体敏感元件，无p-n漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。用硅-蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件

下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比

高。表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形变被硅-蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。

5、压电压力传感器原理与应用压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。压电效应是压电传感器的主要工作原理，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，特别是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

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。

我们知道，晶体是各向异性的，非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。

压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。

压电效应是压电传感器的主要工作原理，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，特别是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。

除了压电传感器之外，还有利用压阻效应制造出来的压阻传感器，利用应变效应的应变式传感器等，这些不同的压力传感器利用不同的效应和不同的材料，在不同的场合能够发挥它们独特的用途。

这种压力变送器主要利用液体或气体在检测器件上形成的压力来检测液体或者气体的流量或压强。把这种压力信号转变成标准的0～10V或者4～20mA电信号。以便控制使用。压力和电信号的转化主要由各种压力传感器的核心部件完成。核心部件主要由压力检测体和放大电路组成。