西克sick傳感器——壓力傳感器的分類及介紹

壓力傳感器分類：

　　壓力傳感器在使用的技能，設計，功能體現，作業適應條件與價格上有很大的差異。初略估計，全世界有60種以上技能的壓力傳感器和至少300家企業生產壓力傳感器。

　　壓力傳感器能夠通過它們所能丈量的壓強規模，作業溫度以及壓強類型而進行分類；其中最重要的是壓強類型。若依壓強類型分類的方式中，壓力傳感器能夠分為以下五類：

　?、?、絕對壓力傳感器：

　　這種壓力傳感器量測流體真實的壓強，也便是相對于真空壓強下的壓強。海平面上的肯定大氣壓力是101.325kPa（14.7?PSI）。

　?、?、表壓力傳感器（gauge pressure sensor）：

　　這種壓力傳感器能夠量測某一特定的位置下，相對大氣壓的壓強，胎壓計便是一個例子，當胎壓計顯示讀數為0PSI，表示輪胎內部的壓力等于大氣壓力，為14.7PSI。

　?、?、真空壓力傳感器：

　　這種壓力傳感器用來量測小于一大氣壓的壓強，工業界有些真空壓力傳感器的讀值是相對于一大氣壓（讀值為負值），而有些是以其肯定壓力為準。

　?、?、壓差計：

　　此儀器用來量測二個壓強之間的壓強差，例如量測濾油器兩頭的壓力差，壓差計也用來量測流量或量測壓力容器內的液面高度。

　?、?、密封壓力傳感器：

　　此儀器和表壓力傳感器類似，不過此儀器會通過特別的校對，其量測的壓強是相對海平面的壓強。

　　若依據結構與原理的不同，可分為：應變式、壓阻式、電容式、壓電式、振頻式壓力傳感器等。此外還有光電式、光纖式、超聲式壓力傳感器等。

　　1、應變式壓力傳感器

　　應變式壓力傳感器是一種通過丈量各種彈性元件的應變來直接丈量壓力的傳感器。依據制造資料的不同，應變元件能夠分為金屬和半導體兩大類。應變元件的作業原理根據導體和半導體的“應變效應”，即當導體和半導體資料發生機械變形時，其電阻值將發生改動。

　　當金屬絲受外力效果時，其長度和截面積都會發生改動，其電阻值即會發生改動，假設金屬絲受外力效果而伸長時，其長度添加，而截面積削減，電阻值便會增大。當金屬絲受外力效果而緊縮時，長度減小而截面添加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻兩頭的電壓的改動，即可獲得應變金屬絲的應變情況。

　　2、壓阻式壓力傳感器

　　壓阻壓力傳感器是指使用單晶硅資料的壓阻效應和集成電路技能制成的傳感器。單晶硅資料在遭到力的效果后，電阻率發生改動，通過丈量電路就可得到正比于力改動的電信號輸出。它又稱為分散硅壓阻壓力傳感器，它不同于張貼式應變計需通過彈性靈敏元件直接感觸外力，而是直接通過硅膜片感觸被測壓力的。

　　壓阻壓力傳感器主要根據壓阻效應（Piezoresistive effect）。壓阻效應是用來描述資料在遭到機械式應力下所發生的電阻改動。不同于壓電效應，壓阻效應只發生阻抗改動，并不會發生電荷。

　　大多數金屬資料與半導體資料都被發現具有壓阻效應。其中半導體資猜中的壓阻效應遠大于金屬。因為硅是現今集成電路的主要原料，以硅制造而成的壓阻性元件的使用就變得十分有意義。硅的電阻改動不單是來自與應力有關的幾許形變，并且也來自資料本身與應力相關的電阻，這使得其程度因子大于金屬數百倍之多。N型硅的電阻改動主要是因為其三個導帶谷對的位移所形成不同遷移率的導帶谷間的載子從頭散布，然后使得電子在不同活動方向上的遷移率發生改動。其次是因為來自與導帶谷形狀的改動相關的等效質量(effective mass)的改動。在P型硅中，此現象變得更復雜，并且也導致等效質量改動及電洞轉化。

　　壓阻壓力傳感器一般通過引線接入惠斯登電橋中。平常靈敏芯體沒有外加壓力效果，電橋處于平衡狀態（稱為零位），當傳感器受壓后芯片電阻發生改動，電橋將失去平衡。若給電橋加一個恒定電流或電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電壓信號，這樣傳感器的電阻改動通過電橋轉化成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的改動，通過擴大后，再通過電壓電流的轉化，變換成相應的電流信號，該電流信號通過非線性校對環路的補償，即發生了輸入電壓成線性對應聯系的4——20mA的標準輸出信號。

　　為減小溫度改動對芯體電阻值的影響，進步丈量精度，壓力傳感器都選用溫度補償辦法使其零點漂移、靈敏度、線性度、穩定性等技能指標堅持較高水平。

　　3、電容式壓力傳感器

　　電容式壓力傳感器是一種使用電容作為靈敏元件，將被測壓力轉化成電容值改動的壓力傳感器。這種壓力傳感器一般選用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感觸壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發生改動，通過丈量電路即可輸出與電壓成必定聯系的電信號。電容式壓力傳感器歸于極距改動型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動電容式壓力傳感器。

　　單電容式壓力傳感器由圓形薄膜與固定電極構成。薄膜在壓力的效果下變形，然后改動電容器的容量，其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到固定電極的間隔成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的辦法制成。這種型式適于丈量低壓，并有較高過載才能。還能夠選用帶活塞動極膜片制成丈量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便選用較薄的膜片進步靈敏度。它還與各種補償和維護部以及擴大電路全體封裝在一起，以便進步抗干擾才能。這種傳感器適于丈量動態高壓和對飛行器進行遙測。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽診器式等型式。

　　差動電容式壓力傳感器的受壓膜片電極坐落兩個固定電極之間，構成兩個電容器。在壓力的效果下一個電容器的容量增大而另一個則相應減小，丈量結果由差動式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過載時膜片遭到凹面的維護而不致破裂。差動電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對稱性），并且不能實現對被測氣體或液體的阻隔，因而不適宜作業在有腐蝕性或雜質的流體中。

　　4、壓電式壓力傳感器

　　壓電式壓力傳感器主要根據壓電效應（Piezoelectric effect），使用電氣元件和其他機械把待測的壓力轉化成為電量，再進行相關丈量作業的丈量精密儀器，比方很多壓力變送器和壓力傳感器。

　　壓電傳感器不能夠使用在靜態的丈量當中，原因是遭到外力效果后的電荷，當回路有無限大的輸入抗阻的時分，才能夠得以保存下來?？墒菍嶋H上并不是這樣的。因而壓電傳感器只能夠使用在動態的丈量當中。它主要的壓電資料是：磷酸二氫胺、酒石酸鉀鈉和石英。壓電效應便是在石英上發現的。

　　當應力發生改動的時分，電場的改動很小很小，其他的一些壓電晶體就會替代石英。酒石酸鉀鈉，它是具有很大的壓電系數和壓電靈敏度的，可是，它只能夠使用在室內的濕度和溫度都比較低的地方。磷酸二氫胺是一種人造晶體，它能夠在很高的濕度和很高的溫度的環境中使用，所以，它的使用是十分廣泛的。跟著技能的開展，壓電效應也已經在多晶體上得到使用了。例如：壓電陶瓷，鈮鎂酸壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈦酸鋇壓電陶瓷等等都包含在內。

　　壓電效應可分為：正壓電效應和逆壓電效應。

　　正壓電效應是指：當晶體遭到某固定方向外力的效果時,內部就發生電極化現象,一起在某兩個表面上發生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又康復到不帶電的狀態；當外力效果方向改動時，電荷的極性也隨之改動；晶體受力所發生的電荷量與外力的巨細成正比。壓電式傳感器大多是使用正壓電效應制成的。

　　逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現象，又稱電致彈性效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電靈敏元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型 5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這 5種狀態下發生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有杰出的厚度變形和長度變形壓電效應。

　　5、電感壓力傳感器

　　電磁壓力傳感器是多種使用電磁原理的傳感器統稱，主要包含電感壓力傳感器、霍爾壓力傳感器、電渦流壓力傳感器等。

　　電感式壓力傳感器的作業原理是因為磁性資料和磁導率不同，當壓力效果于膜片時，氣隙巨細發生改動，氣隙的改動影響線圈電感的改動，處理電路能夠把這個電感的改動轉化成相應的信號輸出，然后達到丈量壓力的目的。該種壓力傳感器按磁路改動能夠分為兩種：變磁阻和變磁導。電感式壓力傳感器的長處在于靈敏度高、丈量規模大；缺陷便是不能使用于高頻動態環境。

　　變磁阻式壓力傳感器主要部件是鐵芯跟膜片。它們跟之間的氣隙形成了一個磁路。當有壓力效果時，氣隙巨細改動，即磁阻發生了改動。如果在鐵芯線圈上加必定的電壓，電流會跟著氣隙的改動而改動，然后測出壓力。

　　在磁通密度高的場合，鐵磁資料的導磁率不穩定，這種情況下能夠選用變磁導式壓力傳感器丈量。變磁導式壓力傳感器用一個可移動的磁性元件替代鐵芯，壓力的改動導致磁性元件的移動，然后磁導率發生改動，由此得出壓力值。

　　6、霍爾壓力傳感器

　　霍爾壓力傳感器是根據某些半導體資料的霍爾效應制成的?；魻栃侵府敼腆w導體放置在一個磁場內，且有電流通過期，導體內的電荷載子遭到洛倫茲力而傾向一邊，繼而發生電壓（霍爾電壓）的現象。電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。通過霍爾電壓的極性，可證實導體內部的電流是由帶有負電荷的粒子（自由電子）之運動所形成。

　　在導體上外加與電流方向垂直的磁場，會使得導線中的電子遭到洛倫茲力而聚集，然后在電子聚集的方向上發生一個電場，此電場將會使后來的電子遭到電力效果而平衡掉磁場形成的洛倫茲力，使得后來的電子能順暢通過不會偏移，此稱為霍爾效應。而發生的內建電壓稱為霍爾電壓。

　　當磁場為一交變磁場時，霍爾電動勢也為同頻率的交變電動勢，樹立霍爾電動勢的時間極短，故其響應頻率高。抱負霍爾元件的資料要求要有較高的電阻率及載流子遷移率，以便獲得較大的霍爾電動勢。常用霍爾元件的資料大都是半導體，包含N型硅(Si)、銻化銦(InSb)、砷化銦InAs)、鍺(Ge)、砷化鎵GaAs)及多層半導體質結構資料，N型硅的霍爾系數、溫度穩定性和線性度均較好，砷化鎵溫漂小，現在使用。

　　7、電渦流壓力傳感器

　　根據電渦流效應的壓力傳感器。電渦流效應是由一個移動的磁場與金屬導體相交，或是由移動的金屬導體與磁場垂直交會所發生。簡而言之，便是電磁感應效應所形成。這個動作發生了一個在導體內循環的電流。

　　電渦流特性使電渦流檢測具有零頻率響應等特性，因而電渦流壓力傳感器可用于靜態力的檢測。

　　8、振弦式壓力傳感器

　　振弦式壓力傳感器歸于頻率靈敏型傳感器，這種頻率丈量具有想當高的精確度，因為時間和頻率是能精確丈量的物理量參數，并且頻率信號在傳輸過程中能夠忽略電纜的電阻、電感、電容等因素的影響。一起，振弦式壓力傳感器還具有較強的抗干擾才能，零點漂移小、溫度特性好、結構簡單、分辨率高、功能穩定，便于數據傳輸、處理和存儲，簡單實現儀表數字化，所以振弦式壓力傳感器也能夠作為傳感技能開展的方向之一。

　　振弦式壓力傳感器的靈敏元件是拉緊的鋼弦，靈敏元件的固有頻率與拉緊力的巨細有關。弦的長度是固定的，弦的振蕩頻率改動量可用來測算拉力的巨細，即輸入是力信號，輸出的是頻率信號。振弦式壓力傳感器分為上下兩個部分組成，下部構件主要是靈敏元件組合體。上部構件是鋁殼，包含一個電子模塊和一個接線端子，分成兩個小室放置，這樣在接線時就不會影響電子模塊室的密封性。

　　振弦式壓力傳感器能夠選擇電流輸出型和頻率輸出型。振弦式壓力傳感器在運作式，振弦以其諧振頻率不斷振蕩，當丈量的壓力發生改動時，頻率會發生改動，這種頻率信號通過轉化器能夠轉化為4——20mA的電流信號。

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