第3章壓力傳感器及應用力無處不在，人們時時刻刻被各種各樣的力所環(huán)繞。人們生活在大氣壓力下、承受著地球的引力，人的步行需要重力和地面的摩擦力；貨物流通的稱量（由重力獲得質量），水泥生產過程中的物料輸送與配比檢測，生活與工業(yè)環(huán)境噪聲檢測，自來水、暖氣管道的壓力檢測，石油化工的各種高溫氣液流體檢測，液位與江河海洋的深度檢測等，都與力的檢測密切相關。利用不同物理效應制成的壓力傳感器作為信息獲取與信息轉換的裝置器件，全面實現(xiàn)了被測量的轉換。第3章壓力傳感器及應用了解壓力傳感器的形式多樣性與產品的豐富，重新認識常用的電子產品。掌握角度檢測傳感器的工作原理、組成結構及其在相關領域的應用。掌握電阻、電容、電感式壓力傳感器的工作原理、典型信號處理電路和壓力傳感器技術參數(shù)，及其在相關領域的應用了解利用新技術、新材料、新工藝制造的其他壓力傳感器，拓展壓力傳感器在特殊領域應用的認識。了解壓力傳感器的傳感技術的選型、安裝與維護。以平行梁式稱重傳感器在電子秤上的應用為切入點，掌握壓力傳感器的使用方法。第3章壓力傳感器及應用3.1認識壓力傳感器3.2電阻應變式壓力傳感器3.3電容式壓力傳感器3.4電感式壓力傳感器3.5其他壓力傳感器*3.6壓力傳感器的選型、安裝與維護*3.7項目實訓：自制簡易電子秤3.1認識壓力傳感器3.1.1壓力傳感器分類3.1.2角度檢測傳感器1.金屬滾珠傾斜開關2.水銀傾斜開關3.1認識壓力傳感器壓力傳感器是人們生活和工業(yè)生產中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種家用電器和生產自動檢測控制環(huán)節(jié)，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件（或應變計）組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉換為位移或應變，然后由位移敏感元件或應變計轉換為與壓力成一定關系的電信號。有時把這兩種元件的功能集于一體。3.1.1壓力傳感器分類壓力傳感器的種類繁多，如電阻應變式壓力傳感器、半導體應變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、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。電阻應變式壓力傳感器電子秤應用實例：機場托運行李稱重行李稱重稱重顯示3.1.2角度檢測傳感器在種類繁多的壓力傳感器中，利用敏感元件自身重力來實現(xiàn)角度檢測的傳感器——傾斜開關是最為簡捷的壓力傳感器，其工作原理和結構簡單，檢測可靠，常見的典型產品有金屬滾珠開關、雙滾珠開關、水銀傾斜開關等。3.1.2角度檢測傳感器1.金屬滾珠傾斜開關鍍銀金屬滾珠開關豎直安裝于風扇內部，連接于電源開關之后。當風扇在正立狀態(tài)打開電源開關時，金屬滾珠開關處于豎直狀態(tài)，金屬滾珠依靠自身重力與底部的2個金屬引腳觸點可靠接觸，使傾斜開關處于導通狀態(tài)，電風扇能夠正常運轉；當電風扇傾斜（＞20°）或傾倒時，金屬滾珠在重力的作用下會滾向一邊，使金屬滾珠不能同時與底部的2個金屬引腳觸點可靠接觸，從而使傾斜開關處于斷開狀態(tài)，即自動切斷風扇電源以保證用電和電氣安全。3.1.2角度檢測傳感器1.金屬滾珠傾斜開關雙滾珠開關是由2顆鍍銀滾珠、鍍銀導電套筒、側面與導電套筒金屬連接的鍍銀引腳和底部與導電套筒絕緣的鍍金引腳構成。當冰柜門蓋關閉時，雙滾珠開關向鍍銀引腳端傾斜角度大于10°，兩個滾珠處于開關頭部不能與鍍金引腳接觸，為開路OFF狀態(tài)，控制內部照明燈滅；當冰柜門蓋打開時，雙滾珠開關向鍍金引腳端傾斜角大于10°，兩個滾珠立即滾向鍍金引腳的金屬觸點，雙滾珠開關變成閉合ON狀態(tài)，控制內部照明燈亮。3.1.2角度檢測傳感器1.金屬滾珠傾斜開關傾斜檢測開關應用電路：通過驅動繼電器或觸發(fā)控制電路，實現(xiàn)弱電對強電的轉換控制。該電路還可同時并聯(lián)多個傾斜開關實現(xiàn)多點位的檢測，例如用于庫房及特殊場所的安監(jiān)報警等。3.1.2角度檢測傳感器2.水銀傾斜開關在皮帶輸送機輸送煤炭、礦石等大宗散狀物料的場合，經(jīng)常需要及時知道皮帶上是否“斷料”，以達到完善生產管理、及時控制的目的。解決這一問題的方法就是給皮帶輸送機加裝料流檢測裝置——水銀傾斜開關。3.1.2角度檢測傳感器2.水銀傾斜開關用支架將金屬探頭水銀傾斜開關懸掛在傳送帶的上方，當傳送帶上無物料時，水銀傾斜開關自由下垂成豎直狀態(tài)，環(huán)氧樹脂內腔中的水銀與腔內的2個金屬電極接觸導通，輸出無料信號；當傳送帶上有物料時，水銀傾斜開關被物料推成傾斜狀態(tài)，水銀流向一邊，與其中一個金屬電極斷開，輸出有料信號。3.1.2角度檢測傳感器2.水銀傾斜開關金屬探頭水銀傾斜開關耐磨性較強而且牢固，廣泛用于檢測固體（如粉體、粒體、塊體）料倉或中轉料槽的上限料位。將金屬探頭水銀傾斜開關懸掛在密閉罐容器的頂部，當從進料口進入的物料堆積到規(guī)定高度時，使傳感器方向傾斜角度大于20°，水銀與其中一個金屬電極斷開，輸出上限料位信號，控制進料機停止進料。拓展提高

有壓力開關的傾斜斷電臺燈生產生活各種電器設備需要進行姿態(tài)、狀態(tài)檢測，可用的傳感器原理功能各不相。具有傾斜斷電功能的臺燈，臺燈底部安裝有壓力開關傳感器，請分析臺燈傾斜斷電保護的工作原理。壓力開關也可稱為觸碰開關，在小轎車車門開關狀態(tài)檢測也采用了壓力開關傳感器，請仔細觀察車門開關檢測安裝情況，分析其工作原理。壓力開關傳感器還有其他應用嗎？3.2電阻應變式壓力傳感器3.2.1電阻應變效應3.2.2電阻應變片3.2.3平行梁式稱重傳感器3.2.4柱式荷重傳感器3.2.5氣液壓壓力傳感器3.2電阻應變式壓力傳感器1856年英國物理學家W·THOMSON發(fā)現(xiàn)了金屬電阻的應變效應，1938年首次出現(xiàn)了金屬電阻絲應變片（SR-4型），1952年英國人發(fā)明了金屬箔式應變片，從而為各種力的測量奠定了理論和技術基礎。目前廣泛應用的典型產品是電阻應變式壓力傳感器。電阻應變式壓力傳感器常應用于稱重和測力領域，是借助彈性敏感元件將力的變化轉化為形變，然后利用電阻導體的應變將力轉變成電阻值的變化，通過測量電路得到被測量——力的電信號，最后將電信號的變化值轉化為對應的測力值。電阻應變式壓力傳感器主要由彈性元件、電阻應變片和測量電路組成。3.2電阻應變式壓力傳感器根據(jù)彈性元件常用的結構形式分為：平行梁式稱重傳感器、S型拉壓力傳感器和柱式荷重傳感器等，可分別應用于電子臺秤、電子吊秤和電子汽車衡等。3.2.1電阻應變效應電阻絲在外力作用下發(fā)生機械形變（拉升或壓縮）時，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為電阻應變效應。設有一金屬電阻絲，長度為l，截面積為S，電阻率為ρ，則未受力時的電阻為：3.2.1電阻應變效應當電阻絲受拉力F作用時，長度增加△l，截面積縮小△S，電阻值增加△R；當電阻絲受壓力F作用時，長度縮小△l，截面積增加△S，電阻值減小△R。3.2.1電阻應變效應根據(jù)材料力學理論和實驗證明：在金屬電阻絲形變的彈性限度范圍內，電阻值的相對變化△R／R與應變量εx成正比：式中：K為金屬電阻絲的靈敏系數(shù)，表示電阻絲產生單位形變時電阻值相對變化的大小，是與金屬材料有關的常數(shù)。K值越大，單位形變引起的電阻值相對變化越大，靈敏度也就越高；不同的金屬材料有不同的靈敏系數(shù)，通常取值K=1.7～3.6。εx為電阻絲的軸向應變量，εx=dl/l（另：εy為電阻絲的徑向應變量，εy=dr/r；二者滿足εy=-μεx

，μ為電阻絲材料的泊松系數(shù)）。3.2.2電阻應變片電阻絲的應變是相當微小的，所產生的電阻變化也是極其微小的，為了提高電阻絲長度變化△l的絕對值，人們設計出了敏感柵結構，使長度l成倍增加，從而提高靈敏度，并將其制作成各種形狀的應變片。電阻應變片分為金屬絲式、金屬箔式和薄膜型，隨著生產工藝、技術的進步，現(xiàn)有的應變片產品通常采用金屬箔式；電阻應變片按結構可分為單片、雙片和特殊形狀，可用于制作S型拉壓力傳感器和氣液體壓力傳感器，以及用于扭力測量。3.2.2電阻應變片金屬箔電阻應變片，底層為塑料絕緣基片，上層為絕緣保護膜；中間層是由3～10μm的金屬箔用光刻技術制成的敏感柵，連接導線焊接在引線焊接點上，常用的材料有康銅、鎳鉻合金等。國家標準中電阻應變片的阻值規(guī)定為60、120、200、350、500、1000Ω，目前傳感器生產中大多選用350Ω或1000Ω的應變片。3.2.2電阻應變片用電阻應變片R測量應變或應力時，是將電阻應變片粘貼在彈性元件或被測機械零件的表面。在外力F作用下，彈性元件受力作用會產生機械形變（即應變εx），粘貼在其表面的電阻應變片也隨之發(fā)生相同的機械形變（即應變εx），使電阻產生△R的變化，可計算出被測對象的應變量εx。根據(jù)材料力學的應力和應變關系，有：式中，F(xiàn)為作用于被測對象的外力，εx為被測對象受力后產生的應變量（通過測量計算△R／R可得），A為被測對象的有效截面積，E為彈性元件或被測機械零件材料的彈性模量。3.2.3平行梁式稱重傳感器測量粘貼于彈性元件表面的應變片電阻變化來計算應力是很困難的，簡便的方法是采用測量電橋電路，將應變電阻的變化轉換成電壓或電流的變化，以實現(xiàn)精確測量。測量電路的形式有應變片單臂電橋電路、應變片雙臂電橋電路和應變片全橋電路。因全橋測量電路的靈敏度高、線性度好、具有溫度自補償功能等優(yōu)點而被廣泛采用；隨著生產工藝技術的改進，傳感器生產成本也大幅度降低，從而成為工程技術人員的首選。3.2.3平行梁式稱重傳感器平行梁式稱重傳感器，彈性元件為鋁合金材料，常用于電子臺秤。如圖是電子臺秤的工作原理圖，當稱量物置于稱重臺上時，對平行梁式稱重傳感器產生垂直向下的壓力，使上下平行梁分別產生拉伸和壓縮應變。3.2.3平行梁式稱重傳感器向下的壓力導致粘貼于傳感器頂面的R1、R3應變片產生橫向的拉伸應變，使電阻值增加△R1和△R3

；同時，導致粘貼于傳感器底面的R2、R4應變片產生橫向的壓縮應變，使電阻值減少△R2和△R4。3.2.3平行梁式稱重傳感器將4只應變片電阻連接成差動全橋電路，加載直流電壓Ui

，則節(jié)點A、B的輸出電壓UO為：3.2.3平行梁式稱重傳感器通過生產制作工藝控制，使R1=R2=R3=R4=R、△R1=△R2=△R3=△R4=△R，則有：式中，K為金屬應變片電阻的靈敏系數(shù)，A為鋁合金彈性元件的有效截面積，E為鋁合金彈性元件的彈性模量，Ui為輸入的直流電壓。3.2.3平行梁式稱重傳感器即，平行梁式稱重傳感器測量模型為：用直流全橋電路測量應變力時，電橋的輸出電壓與被測壓力大小成線性關系；在實際產品中，傳感器的輸出電壓通常只有幾mV，對此可以通過后續(xù)的電壓放大電路將其轉換為與稱量物對應的電壓值，再運用數(shù)字處理技術顯示出對應的重量。3.2.4柱式荷重傳感器對于工業(yè)應用的大負荷稱重如電子汽車衡、火車軌道衡、料斗秤等，需要稱量幾十～幾百噸位的重量，平行梁式稱重傳感器難于滿足要求。為此研制出了多種專用荷重傳感器，如柱式荷重傳感器、輪輻式稱重傳感器、懸臂梁式傳感器和橋式傳感器等。其中，柱式荷重傳感器主要由鋼制圓筒、鋼制圓柱、應變片和測量轉換電路組成，中心的鋼制圓柱為彈性敏感元件。3.2.4柱式荷重傳感器柱形壓力傳感器，其核心是在鋼制圓柱的側面對稱地粘貼了4只應變片，水平方向和豎直方向各2只。當鋼制圓柱受到軸向的荷重壓力時，會產生軸向的壓力應變εx和徑向的拉力應變εy，形象描述為鋼制圓柱被壓短、變粗。3.2.4柱式荷重傳感器設鋼制圓柱的有效截面積為A，泊松系數(shù)為μ，彈性模量為E，當外加荷重壓力為F時，應變片電阻R1、R3對應產生拉力應變ε1、ε3，應變片電阻R2、R4對應產生壓力應變ε2、ε4，將應變片電阻連接成全橋電路，則可推導出傳感器的電壓輸出為：3.2.4柱式荷重傳感器將ε1=ε3=εy

=-μεx、ε2=ε4=εx代入前式，得：即，輸出電壓UO與荷重壓力F成正比。3.2.4柱式荷重傳感器為了使用方便，在工程技術上引入了稱重傳感器靈敏度KF以及滿量程Fm指標，稱重傳感器靈敏度KF定義為：式中，Ui為傳感器電橋輸入電壓，單位為V；UOm為傳感器滿量程Fm時的輸出電壓，單位為mV。因此，稱重傳感器的靈敏度是以mV∕V為單位。3.2.4柱式荷重傳感器稱重傳感器在額定測量范圍內，輸出電壓UO與被測荷重F成正比，從而有：由此得到被測荷重為F時傳感器的輸出電壓為：3.2.4柱式荷重傳感器例題2-1某企業(yè)利用hl-8型稱重傳感器生產微型電子臺秤，傳感器技術參數(shù)如表3-1所示。現(xiàn)對1臺產品進行測試，傳感器的輸入電壓為6V，空載時輸出為0.552mV，加載200g砝碼時輸出電壓為2.549mV，加載500g砝碼時輸出電壓為5.554mV，請幫助判斷該產品是否合格。（注：空載時的輸出為稱物臺的重量）3.2.4柱式荷重傳感器表3-1hl-8型稱重傳感器參數(shù)3.2.4柱式荷重傳感器3.2.5氣液壓壓力傳感器氣液壓壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種壓力傳感器，其廣泛應用于工業(yè)自控環(huán)境，涉及石油管道、水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道送風、鍋爐負壓等眾多行業(yè)。3.2.5氣液壓壓力傳感器應變式氣液壓傳感器也是以彈性變形為基礎，讓被測壓力作用在傳感器的彈性元件上，使彈性元件產生彈性變形，并用彈性變形的大小來量度壓力的大小。由于降低和去除壓力時彈性形變可恢復，所以應變式測壓傳感器不僅能測量壓力的上升段，也能測量壓力的下降段，可反映出壓力變化的全過程。常用的應變式氣液壓壓力傳感器按結構可分為：筒式液壓壓力傳感器結構、活塞式應變壓力傳感器結構和平膜片式壓力傳感器結構等。3.2.5氣液壓壓力傳感器1.筒式液壓壓力傳感器筒式液壓壓力傳感器的彈性元件是一支鉆有盲孔（及半通孔）的圓筒，稱為應變筒。使用時盲孔中注入硅油或其它隔離劑并將其安裝到的測量孔中，流體壓力作用在硅油上，硅油受壓后把壓力傳送到應變筒的內壁，使應變筒外壁膨脹，發(fā)生彈性變形。在應變筒外壁的中部沿圓周方向粘貼有二塊工作應變片，以感受應變筒受壓力作用時所產生的應變，在無孔部位也粘貼二塊補償應變片，并將應變片連接為如圖所示的測量電路，以提高測量的靈敏度和實現(xiàn)溫度的自補償。3.2.5氣液壓壓力傳感器筒式液壓壓力傳感器輸入輸出電壓的關系為：3.2.5氣液壓壓力傳感器2.活塞式應變壓力傳感器活塞式應變壓力傳感器的彈性元件是類似于柱式荷重傳感器的金屬圓柱，稱為應變柱，應變片采用2橫2豎上下位粘貼。使用時傳感器安裝在測壓孔內，壓力P作用在活塞的一端，活塞把壓力轉化為力F（F=PS，S為活塞桿的截面積）作用在應變柱上，使應變柱產生軸向壓縮應變和徑向增大應變。為了消除間隙的影響，裝配時應給應變柱一定的預應力，使活塞與應變柱緊密接觸。3.2.5氣液壓壓力傳感器3.平膜片式壓力傳感器平膜片式壓力傳感器的彈性敏感元件是周邊固定的平圓膜片，在上面粘貼一個圓形應變片（或采用組合應變片方式），同時在接線板上粘貼相同的補償應變片，連接電路如圖所示，當膜片在被測壓力作用下發(fā)生彈性變形時，應變片也發(fā)生相應的變化，從而使應變片的阻值發(fā)生變化，由四個電阻組成的電橋就有相應的輸出信號。3.2.5氣液壓壓力傳感器表3-2熔體壓力傳感器技術參數(shù)拓展提高

稱重傳感器在電子皮帶稱的應用電子皮帶秤在鋼鐵、建材、化工、冶金、糧油、飼料等各大領域廣泛使用。建筑行業(yè)廣泛使用的基礎材料——水泥是由石灰石、粘土、鐵粉和其它校正原料等4種生料組成，4種原料必須嚴格按規(guī)定的比例進行配料，電子皮帶稱在自動化水泥生產線上發(fā)揮著極其重要的作用。拓展提高

稱重傳感器在電子皮帶稱的應用電子皮帶稱是由承重裝置、稱重傳感器、速度傳感器和稱重顯示器組成。稱重時，承重裝置將皮帶上物料的重力傳遞到稱重傳感器上，稱重傳感器即輸出正比于物料重力的電壓(mV)信號，經(jīng)放大器放大后送模／數(shù)轉換器變成數(shù)字量A，送到運算器；速度傳感器檢測物料輸送速度后輸出脈沖數(shù)B，也送到運算器；運算器對A、B進行運算后，即得到這一測量周期的物料量。對每一測量周期進行累計，即可得到皮帶上連續(xù)通過的物料總量，實現(xiàn)對輸送的散裝固體物料自動連續(xù)測量。通過使用4臺電子皮帶秤對物料輸送的連續(xù)檢測和精確控制，就可得到準確的生料配料比，從而保障水泥的生產質量。觀察與思考

加速度傳感器在汽車安全氣囊中的作用應變式加速度傳感器結構是在彈性強度梁的上端固定慣性質量塊m，梁的下端固定在與外殼相連的基座上，彈性梁的左右側面粘貼電阻應變片，殼體內充滿阻尼硅油，用于產生必要的阻尼避免震動。測量時將傳感器按運動方向豎直安裝于被測對象上，當有加速度作用于被測物體時，慣性質量塊也以相同的加速度運動，其產生的慣性力F正比與加速度a（F=ma），慣性力作用在梁的上端使彈性強度梁產生應變，通過應變測量電路輸出與加速度a對應的電信號，實現(xiàn)對運動狀態(tài)的控制及其應急處理。觀察與思考

加速度傳感器在汽車安全氣囊中的作用應變式加速度傳感器作為中高檔汽車的安全氣囊傳感器而被廣泛使用。在汽車模擬碰撞試驗，當汽車以60km的時速行駛，突然的撞擊會讓車輛在0.2秒之內停下，請根據(jù)相關知識分析汽車安全氣囊在車禍發(fā)生瞬間如何保護駕駛員和乘客的安全。3.3電容式壓力傳感器3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器2.差動電容式壓力傳感器3.3.2電容式壓力傳感器測量電路1.調頻測量電路2.運算放大器測量電路3.交流電橋測量電路4.CAV424專用集成芯片3.3電容式壓力傳感器電容傳感器測量技術在近幾年有了很大進展，其廣泛應用于位移、振動、角度、加速度、壓力壓差、液面、成分含量的測量，具有結構簡單、體積小、分辨率高、可非接觸測量等一系列優(yōu)點，特別是與集成電路結合這些優(yōu)點得到更進一步的體現(xiàn)。不銹鋼電容壓力傳感器血壓計用電容式壓力傳感器電容液位壓力傳感器(變送器)智能型管道電容壓力傳感器3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器是一種利用電容作為敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個電極，當薄膜感受壓力而變形時，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與電壓成一定關系的電信號。3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，是由一個固定電極板和一個薄膜電極板組成，兩個電極板之間充滿空氣或其他液體介質，其電容量為：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器當薄膜電極板受到壓力作用時，將產生△d的極距變化，從而導致電容量的改變：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器因△d的極距變化很小，使，則有近似的線性關系為：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器傳感器的靈敏度K為：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構1.單電容式壓力傳感器單電容式壓力傳感器靈敏度與極板的間距d2成反比，與電極板的面積A成正比；要提高靈敏度，可增加電極板的面積和減小極板的間距。但極板間距d過小容易引起電容器擊穿或短路，為此，極板間可采用高介電常數(shù)的材料（如云母、塑料膜等）作介質。通常電容式傳感器的初始電容為20～30pF，極板間距在25～200μm，最大位移小于極板間距的1/10。3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器在實際應用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，又研制出了差動電容式壓力傳感器，中間為移動電極板，上下為固定電極板，初始狀態(tài)下有：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器在壓力的作用下，移動電極板會上移△d，電容器C1的間距變?yōu)?/p>

d-△d，電容器C2的間距變?yōu)閐+△d，則有：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器在時，按泰勒級數(shù)展開得：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器電容總的變化量為：電容的相對變化為：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器忽略高次項，則有近似線性關系：其靈敏度K為：3.3.1電容式壓力傳感器原理結構2.差動電容式壓力傳感器測量數(shù)學模型可知，差動式電容傳感器比單電容傳感器的靈敏度提高了1倍，理論推導的非線性誤差也大大降低，其差動方式還可消除外界因素造成的測量誤差。在實際產品生產中，固定電極是在玻璃凹球面上鍍金屬而制成，2個玻璃凹球面之間安裝測量膜片，過載時膜片受到凹球面的保護而不致破裂。此種電容膜片式絕對壓力變送器誕生于80年代，由于它的精度高，耐腐蝕，耐污染，穩(wěn)定性好，是國內外公認的檢測低真空壓力的理想儀表。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路1.調頻測量電路調頻測量電路是將單電容式壓力傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當被測量變化使傳感器電容改變時，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應變化，即振蕩頻率受傳感器電容所調制，因此稱為調頻測量電路。測定頻率或經(jīng)鑒頻器將頻率變化轉換成電壓幅值的變化，就可測量出對應的壓力值。如圖所示為調頻測量電路原理框圖。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路1.調頻測量電路調頻測量電路振蕩頻率滿足：式中，C0為電容傳感器初始電容，±△C為被測量導致的電容傳感器變化量，C1為振蕩回路中的固定電容，C2為引線分布電容。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路1.調頻測量電路當被測信號為0時，△C=0，振蕩器輸出的固有頻率為：通過測量，就可獲得被測量的值。調頻測量電路的靈敏度高，可測量出0.01μm的位移變化量；易于獲得頻率數(shù)字信號或高電平直流信號，因此抗干擾能力強；信號可無線發(fā)送和接收，實現(xiàn)遙測遙控。缺點是易受溫度和電纜電容的影響，需采取穩(wěn)頻措施。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路1.調頻測量電路單電容式壓力傳感器的典型醫(yī)學應用為腕式電子血壓計，隨著生活質量的提高和衛(wèi)生保健的需求，電子血壓計已成為家庭生活的必需品。在分析天平的應用中，美國Setra公司發(fā)明了獨特的“可變陶瓷電容技術”，制成了陶瓷電容傳感器模塊。當負載放在天平的秤盤上引起陶瓷梁彎曲時，改變了兩個電極間間距，電極被接入LC的震蕩電路，震蕩頻率隨負載測量電容而改變。從零負載到滿量程，頻率變化達20MHz，依賴天平內的微處理器可分辨出0.1mg的變化。1987年ISWM（國際稱重計量協(xié)會）授予Setra技術卓越獎。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路2.運算放大器測量電路將單電容式壓力傳感器電容接入運算放大器電路中，作為電路的反饋元件，如圖所示，是交流電壓源，C是固定電容，Cx是傳感器電容，是輸出信號電壓。因運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)和輸入阻抗都非常大，由運算放大器的工作原理有：3.3.2電容式壓力傳感器測量電路2.運算放大器測量電路將代入上式得：式中，“-”號表示輸出電壓的相位與電源電壓相反。上式說明運算放大器的輸出電壓與極板間距d成線性關系，這就從原理上解決了單電容式變極距壓力傳感器輸出特性的非線性問題。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路3.交流電橋測量電路將差動電容式壓力傳感器的電容接入交流電橋，其對稱橋臂可分別由電阻、電容、電感和互感元件組成。3.3.2電容式壓力傳感器測量電路3.交流電橋測量電路在下圖中，設感應電勢相等各為，傳感器的2個電容容抗分別為

和，當電橋所接放大器的輸入阻抗足夠大時，輸出電壓為：3.3.2電容式壓力傳感器測量電路3.交流電橋測量電路將和代入上式，化簡后得：上式表明，變壓器電橋電路的輸出電壓與輸入位移△d成線性關系。交流電橋測量電路的輸出是調幅波，其載波頻率為電橋電源頻率，其幅值與被測量成比例。4.CAV424專用集成芯片德國AMG公司開發(fā)的CAV424是一個集成的電容/電壓轉換器件，片內包含了完整的電容信號處理單元。當固定一個參考電容時，CAV424可檢測出測量電容的相對電容量變化值，在理想情況下，檢測范圍為2nF～10pF，相對于參考電容的變化范圍是5%～100%；其差分電壓輸出信號可直接用于A/D轉換或輸入其他信號處理電路，利用內置溫度傳感器可以實現(xiàn)數(shù)字校正。也可將差動電容式壓力傳感器電容接入CAV424，實現(xiàn)高精度壓力測量。4.CAV424專用集成芯片CAV424的測量原理，是通過一個外接電容COSC與內部構成一個頻率可調的參考振蕩器來驅動兩個完全相同的積分器并使他們在時間和相位上同步，兩個被控制的積分器的振幅是由電容CX1和CX2來決定。現(xiàn)以CX1作參考電容、CX2作為被測電容，當被測電容傳感器電容變化時，積分器2的輸出信號幅值會變化；比較兩個積分器輸出振幅的差值，可得出兩個電容CX1和CX2的相對變化量；該差值信號通過后級的低通濾波器到達可調增益的輸出級，從而獲得被測量的電壓信號。表3-3CAV424電容信號轉換集成電路引腳功能表拓展提高

聲壓傳感器應用噪聲檢測已廣泛深入到機器制造、建筑設計、交通運輸、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生以及國防工程等各個領域，主要是采用高精度聲壓計進行聲功率測試、發(fā)動機噪聲分析、近場聲全息、建筑噪聲研究、繪制聲壓圖、環(huán)境噪聲分析等。電容式傳聲器是高精度聲壓計的傳感器，其基本結構是一個電容器。在極化電壓、負載不變的情況下，輸出交變電壓的大小和波形由作用在膜片上的聲壓決定。拓展提高

聲壓傳感器應用聲壓P指標通常用聲壓級Lp（dB分貝）表示，定義為聲壓與基準聲壓之比的以10為底的對數(shù)的20倍。式中，基準聲壓P0=2×10-5Pa。拓展提高

聲壓傳感器應用為了評估高速動車運行對環(huán)境的影響，中國鐵道科學院對武廣客運專線某測試點進行了環(huán)境振動、環(huán)境噪聲測試、評價及分析。某型號新潛艇交付給海軍前，需要進行系泊試驗。在試驗中對水下運行以及武器發(fā)射時，潛艇艙內的聲壓、空氣壓力等指標進行測量，保證聲壓級、空氣壓力變化在允許的軍用標準以內。為了安全生產，也需要對隊生產車間進行噪聲檢測。動車組運行噪聲檢測潛艇噪聲檢測生產車間噪聲檢測3.4電感式壓力傳感器3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器2.螺管式電感壓力傳感器3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器3.4.3電感壓力傳感器測量電路1.諧振式測量電路2.變壓器式交流電橋測量電路3.專用測量芯片AD5983.4電感式壓力傳感器利用電磁感應原理將被測量如位移、壓力、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉換為電壓或電流的變化量輸出，這種裝置稱為電感式傳感器。電感式傳感器具有結構簡單，工作可靠，測量精度高，零點穩(wěn)定，輸出功率較大等一系列優(yōu)點；還能實現(xiàn)信息的遠距離傳輸、記錄、顯示和控制，在工業(yè)自動控制系統(tǒng)中被廣泛采用。缺點是頻率響應低，不適用于快速動態(tài)測量。電感式壓力傳感器傳感器主要有自感式和差動變壓器式。YSG-3電感壓力傳感器電感式液位傳感器PT系列高溫熔體壓力傳感器3.4.1自感式電感壓力傳感器自感式電感式壓力傳感器也稱變磁阻式壓力傳感器，它是在壓力作用下使銜鐵或鐵芯位移，引起線圈的電感發(fā)生變化而工作的。根據(jù)結構不同可分為變氣隙式和螺管式兩種。1.變氣隙式電感壓力傳感器由鐵芯、線圈、銜鐵和壓力膜盒四部分組成。銜鐵與鐵芯之間有氣隙，厚度為d；銜鐵與壓力膜盒穩(wěn)固粘接。當壓力作用于膜盒時，使銜鐵上移導致氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感量變化。因此，可以通過測量線圈電感的變化來確定壓力的大小。3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器由物理學可知，初始狀態(tài)時線圈的電感為：式中，N為線圈匝數(shù)，為空氣的磁導率H/m，A為鐵芯的截面積，d為氣隙厚度。3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器當被測流體壓力P作用于膜盒帶動銜鐵上移時，氣隙厚度改變?yōu)閐-Δd，此時輸出的電感量為L=L0+ΔL，有：3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器在時，上式按泰勒級數(shù)展開得：忽略高階項的影響，則有：3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器即：變氣隙電感式壓力傳感器的靈敏度為：3.4.1自感式電感壓力傳感器1.變氣隙式電感壓力傳感器其靈敏度與氣隙的間距d2成反比，與線圈匝數(shù)N2成正比，與鐵芯的截面積A成正比；要提高靈敏度，在保持氣隙的間距d的情況下，增加線圈匝數(shù)是很好的選擇。PT系列高溫熔體壓力傳感器通常采用此種結構。2.螺管式電感壓力傳感器在線圈的中心部分插入一個鐵芯并與彈簧膜片相連，就構成了螺管式電感壓力傳感器。當壓力P作用在彈簧片上使鐵芯沿軸向上移時，線圈的電感就發(fā)生變化。在一定范圍內，線圈電感量的變化與鐵芯位移量有對應關系。這種傳感器的特點是結構簡單，容易制作，成本低，量程大，靈敏度低，因此仍有廣泛應用。3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器差動式電感壓力傳感器與單一線圈電感壓力傳感器相比有許多優(yōu)點，如線性度好、靈敏度高，能抑制環(huán)境溫度的影響等，但結構相對復雜、技術含量高。將兩只完全相同的電感器對稱配置，用一個活動銜鐵（或鐵芯)，便構成了差動式電感傳感器。3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器YSG系列電感壓力傳感器，當被測介質的壓力導入C型彈簧管內，即產生彈性變形位移，C型彈簧管端位移時，一方面經(jīng)傳動機構放大，由指示裝置在度盤上指示壓力值，同時帶動銜鐵改變其位置，使銜鐵與兩個電感鐵芯的氣隙間距一邊增加，另一邊減少，電感量則一邊減少，另一邊增加，由此構成電感差動變化。通過電感組成的電橋輸出一個與被測壓力相對應的交流電壓。3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器膜片式差動電感壓力傳感器，其壓力敏感元件采用金屬圓形波紋膜片，用來感受被測壓力，測量膜片與活動磁芯機械相連，隔離膜片與測量膜片之間的壓力傳遞由中間的填充液實現(xiàn)，常用的填充液為硅油。在被測液體壓力作用下，隔離膜片變形帶動測量膜片和與其機械連接的活動磁芯移動，從而改變兩個電感檢測線圈L1、L2的電感，使電感電橋有電壓輸出，其值與被測壓力有確定的關系。3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器分析變間隙式差動電感壓力傳感器為例進行分析。當銜鐵處于中間位置時，兩線圈的電感相等，即當銜鐵移動時，電感L1、L2改變?yōu)椋?.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器在時，按泰勒級數(shù)展開，化簡得：則總的電感變化量為：3.4.2差動變壓器式電感壓力傳感器忽略高次項，則有近似線性關系：其靈敏度K為：由可知：差動電感壓力傳感器比單一電感傳感器的靈敏度提高了1倍，且銜鐵移動的方向與輸出電壓的極性對應，這樣就可根據(jù)輸出電壓的大小和極性確定被測壓力的大小及方向（即正壓或負壓)。3.4.3電感壓力傳感器測量電路1.諧振式測量電路對于單電感式壓力傳感器常采用諧振式測量電路，分為調幅電路和調頻電路。在諧振式調幅測量電路中，傳感器電感與電容串聯(lián)構成諧振回路。當傳感器處于初始位置時，電感為L0，其諧振頻率為：3.4.3電感壓力傳感器測量電路1.諧振式測量電路諧振頻率f0也為輸入的交流電的固有頻率，交流電路阻抗為：初始時電感L＝L0

，電路處于諧振狀態(tài)，電路阻抗為純電阻，電壓和電流同相，輸出的電壓幅值最大。當傳感器電感隨被測壓力變?yōu)長＝L0＋△L時，電路阻抗虛部不為0，阻抗增加，使輸出電壓的幅值下降。通過測量輸出電壓幅值可得到對應的壓力值，該電路特點是靈敏度高、線性差，適用于線性度要求不高的場合。3.4.3電感壓力傳感器測量電路1.諧振式測量電路在諧振式調頻測量電路中，傳感器電感與電容并聯(lián)接入振蕩電路中，當傳感器處于初始位置時，電感為L0，其諧振頻率f0由式（2-28）決定。當傳感器電感隨被測壓力變?yōu)長＝L0＋△L時，輸出信號頻率降低。通過測量輸出信號頻率即可得到對應的壓力值。調頻測量電路的特點是靈敏度高、分辨率高、線性適中。3.4.3電感壓力傳感器測量電路2.變壓器式交流電橋測量電路變間隙式YSG系列差動電感壓力傳感器采用變壓器式交流電橋測量電路，L1、L2連接為差動形式，其對應阻抗為、

；另外兩臂為交流變壓器的次級線圈，提供的交流電壓。當負載阻抗足夠大時，橋路輸出電壓為：3.4.3電感壓力傳感器測量電路2.變壓器式交流電橋測量電路初始時，傳感器銜鐵處于中間位置，電橋處于平衡狀態(tài)，即L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此時有。當壓力作用時銜鐵上移，使L1=L0+ΔL，L2=L0?ΔL

，也就是Z1=Z0+ΔZ

，Z2=Z0?ΔZ

，代入上式有：即：3.4.3電感壓力傳感器測量電路2.變壓器式交流電橋測量電路上式表明，變壓器電橋測量電路的輸出電壓與銜鐵的位移△d成線性關系，負號表示輸入電壓相位與輸出電壓相位反相。交流電橋測量電路的輸出是調幅波，其載波頻率為電橋電源頻率，其幅值與被測量成比例。3.4.3電感壓力傳感器測量電路3.專用測量芯片AD598美國AnalogDevices公司針對線性差動變壓器式電感傳感器應用，設計生產出專用處理芯片AD598。AD598是一個功能完整的線性變化差分變壓器（LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT）信號處理集成電路芯片。芯片采用高精度、高穩(wěn)定性的單電源或雙電源供電，以完成對變壓器機械位移的轉換，所有電路功能都集成在芯片上。使用外接少量的無源元件來設定頻率和增益，AD598可轉換LVDT的次級輸出信號為相應的直流電信號。該芯片也可用于旋轉可變差動變壓器（RotaryVariableDifferentialTransformer，RVDT），實現(xiàn)角度測量。3.4.3電感壓力傳感器測量電路3.專用測量芯片AD5983.4.3電感壓力傳感器測量電路3.專用測量芯片AD598AD598電子秤結構，彈性敏感元件是測力環(huán)，測力環(huán)頂部與移動鐵芯機械連接，整體組成為螺管式差動電感壓力傳感器。測量電路如圖所示，2、3腳為振蕩信號輸出，信號加到差動變壓器的初級繞組La，通過鐵芯調節(jié)后耦合到次級繞組L1、L2上；鐵芯的位移量跟重物的質量有關鐵芯的位移信號經(jīng)AD598稱重后即為被稱重物體的質量。3.4.3電感壓力傳感器測量電路3.專用測量芯片AD598鐵芯上移時VB增大，下移時VA增大，但VA、VB是互為反相的信號，它們一起送入AD598的10、11腳，經(jīng)內部和差運算、濾波、放大后輸出。選擇合適的LVDT，AD598的輸出電壓范圍可達-10～+10V。電壓輸出關系為：拓展提高

學習專用處理芯片AD598從網(wǎng)站輸入關鍵詞AD598，查詢下載專用處理芯片AD598技術資料，翻譯并學習、掌握其經(jīng)典應用電路，選擇參數(shù)合理的元器件，實驗制作滿足一項測量功能的電感傳感器（如壓力、位移或角度）。3.5其他壓力傳感器*3.5.1陶瓷壓力傳感器3.5.2擴散硅壓力傳感器3.5.3藍寶石壓力傳感器3.5.4壓電壓力傳感器3.5.5集成壓力傳感器3.5其他壓力傳感器*利用不同性質的材料作為敏感元件、具有不同物理效應的材料作為轉換元件進行有機組合，配合采用新技術、新工藝，使壓力傳感器產品更加豐富多彩，應用領域更加廣泛。其典型產品有陶瓷壓力傳感器、擴散硅壓力傳感器、藍寶石壓力傳感器、壓電壓力傳感器和集成壓力傳感器。3.5.1陶瓷壓力傳感器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)定特性好，具有測量精度高、輸出信號強、長期穩(wěn)定性好、電氣絕緣程度高等特點。特別是其低成本優(yōu)勢已成為壓力傳感器的發(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壓力傳感器，廣泛用于過程控制、環(huán)境控制、液壓和氣動設備、伺服閥門和傳動、化學制品和化學工業(yè)及醫(yī)用儀表等眾多領域。陶瓷壓力傳感器分為陶瓷厚膜壓力傳感器和陶瓷電容壓力傳感器。3.5.1陶瓷壓力傳感器1.陶瓷厚膜壓力傳感器陶瓷厚膜式壓力傳感器是以特種陶瓷膜片為作為彈性元件，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的一側并連接成惠斯通電橋，經(jīng)過燒結固定在陶瓷膜片上，陶瓷膜片另一側可直接與被測量介質接觸。被測介質直接沖擊陶瓷膜片，引起電阻應變效應，使電橋產生一個與壓力成正比的高度線性、與激勵電壓也成正比的毫伏電壓信號。通過精密的補償技術、調阻技術、信號處理技術的處理，使傳感器輸出信號具有很高的時間穩(wěn)定性與溫度穩(wěn)定性。3.5.1陶瓷壓力傳感器1.陶瓷厚膜壓力傳感器由于傳感器邊緣設計成特殊加厚結構，傳感器可以使用O型橡膠圈直接裝配密封在金屬外殼中。3.5.1陶瓷壓力傳感器2.陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器也是采用無中介液的干式陶瓷電容傳感器，市場上以德國E.H公司和美國Kavlico公司產品為主。90年代中期，哈爾濱工業(yè)大學利用美國Kavlico公司的陶瓷電容式傳感器生產出PTM120壓力傳感器，其性能穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)準確，大量投入到石油、化工、電力、鋼鐵、輕工等行業(yè)的壓力測量及現(xiàn)場控制。3.5.1陶瓷壓力傳感器2.陶瓷電容壓力傳感器陶瓷電容壓力傳感器采用雙電容結構，包括上下極板兩部分。在陶瓷彈性膜片上燒結了可動電極，并在可動電極的外面同時燒結一個參考電容，以消除溫度對輸出信號的影響；在可動電極上再燒結一層玻璃介質防止電極接觸時短路。電容極板間的距離由燒結的玻璃體控制，漿料的配方、濃度和燒結的溫度變化對極板的間距都有影響。3.5.1陶瓷壓力傳感器2.陶瓷電容壓力傳感器當被測壓力作用在傳感器的陶瓷彈性膜片上時，膜片發(fā)生變形，使極板的間距發(fā)生變化，導致傳感器的電容發(fā)生變化，通過測量電路的電容變化即可計算出傳感器所受壓力的改變，進而測量出壓力，再通過處理電路，將電容的變化轉化為0.5V～5V輸出電壓信號。3.5.2擴散硅壓力傳感器1.擴散硅壓力傳感器1954年，C.S史密斯在對硅和鍺的電阻率與應力變化特性測試中發(fā)現(xiàn)了壓阻效應。20世紀90年代中期，美國ICSensors公司、Nova公司應用硅精蝕和硅晶片疊合兩項尖端科技生產了新型擴散硅壓力傳感器并開發(fā)出具有精度高，重復性好，抗腐蝕的擴散硅壓力傳感器。目前，擴散硅壓力傳感器已廣泛應用于航空、航天、液壓系統(tǒng)、汽車、泵、制冷、醫(yī)療設備等領域。3.5.2擴散硅壓力傳感器2.工作原理硅單晶材料在受到外力作用產生極微小應變時，其內部原子結構的電子能級狀態(tài)會發(fā)生變化，從而導致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應稱為壓阻效應。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經(jīng)過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應變電阻，構成惠斯通電橋，利用硅材料的彈性力學特性，在同一片硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏元件與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。3.5.2擴散硅壓力傳感器2.工作原理擴散硅壓力傳感器實質是硅杯壓阻傳感器。它以N型單晶硅膜片作敏感元件，通過擴散雜質使其形成四個P型電阻，并組成惠斯通電橋。當膜片受力后，由于半導體的壓阻效應，電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有相應的輸出。對擴散硅壓力傳感器，敏感元件通常都是周邊固定的圓膜片。主要由硅膜片（硅杯）及擴散電阻、引線、外殼等組成。傳感器膜片上下有兩個壓力腔，分別與被測的高、低壓室連通，用以感受壓力的變化。通常硅杯直徑約為1.8~10mm，膜厚δ=50-500μm。3.5.2擴散硅壓力傳感器3.技術特點：靈敏度高。擴散硅敏感電阻的靈敏因子比金屬應變片高50~80倍，它的滿量程信號輸出在80-100mv左右。對接口電路適配性好，應用成本相應較低。由于它輸入激勵電壓低，輸出信號大，且無機械動件損耗，因而分辨率極高。精度高。擴散硅壓力傳感器的感受、敏感轉換和檢測三位一體，無機械連接轉換環(huán)節(jié)，所以不重復性和遲滯誤差很小。由于硅材料的剛性好，形變小，因而傳感器的線性也非常好。3.5.2擴散硅壓力傳感器3.技術特點：可靠性高。擴散硅敏感膜片的彈性形變量在微應變量級，膜片最大位移量在微米級，且無機械磨損，無疲勞，無老化，平均無故障時間長，性能穩(wěn)定，可靠性高。頻響高。由于敏感膜片硅材料的本身固有頻率高，一般在50kHz。制造過程采用了集成工藝，膜片的有效面積很小，配以剛性結構安裝，使傳感器頻率響應很高，使用帶寬可達0～10050kHz。3.5.2擴散硅壓力傳感器3.技術特點：溫度性能好。隨著集成工藝技術進步，擴散硅敏感膜的四個電阻一致性得到進一步提高，采用激光調阻、計算機自動修正技術，傳感器的零位和靈敏度溫度系數(shù)已達10-5/℃數(shù)量級，工作溫度也大幅度提高。抗電擊穿性能好。由于采用了特殊材料和裝配工藝，擴散硅傳感器不但可以做到130℃正常使用，在強磁場、高電壓擊穿試驗中可抗擊1500V/AC電壓的沖擊。3.5.2擴散硅壓力傳感器3.技術特點：耐腐蝕性好。擴散硅材料具有優(yōu)良的化學防腐性能，即使傳感器受壓面不隔離，也能在普通使用中適應各種介質。硅材料又與硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔離時，結構工藝更易于實現(xiàn)。加之它的低電壓、低電流、低功耗、低成本和本安安全防爆的特點，可替代諸多同類型產品，具有優(yōu)良的性能價格比。3.5.3藍寶石壓力傳感器利用應變電阻式工作原理，采用鈦/硅-藍寶石耐高溫材料、金屬膜片結構和高溫燒結技術等制造的高溫型壓力傳感器，具有無與倫比的計量特性，可在最惡劣的工作條件下正常工作，且具有抗疲勞、可靠性高、溫度性能穩(wěn)定、精度高、重量輕、性價比高、適用范圍廣等特點，廣泛應用于航空、航天、石油、化工、發(fā)電廠、核電站、航海及造船行業(yè)等高溫壓力測控領域。3.5.3藍寶石壓力傳感器藍寶石是單晶體絕緣材料，不會發(fā)生滯后、疲勞和蠕變現(xiàn)象；有著非常好的彈性和絕緣特性（1000℃以內），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；藍寶石的抗輻射性極強；且硅-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。3.5.3藍寶石壓力傳感器高溫型鈦/硅-藍寶石壓力傳感器由雙膜片構成：鈦合金測量膜片和鈦合金接收膜片。利用微機械電子加工工藝在藍寶石膜片上外延硅層并制作惠斯通電橋，然后將其焊接在鈦合金測量膜片上，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，鈦合金接收膜片產生形變，通過拉桿傳導給鈦合金測量膜片，鈦合金測量膜片形變被硅-藍寶石應變電橋感知，使橋路阻值發(fā)生變化，由此產生輸出電信號，經(jīng)放大線路把電信號放大輸出，實現(xiàn)壓力測量。3.5.3藍寶石壓力傳感器對于不同量程的壓力傳感器，可選用不同厚度的硅-藍寶石膜片。經(jīng)驗得出，一般選用硅-藍寶石外延片厚度為300μm左右，根據(jù)實際量程需要及線性要求設計元件有效半徑，敏感元件電阻設在有效半徑的邊緣處，以便得到最大的靈敏度，橋路電阻設計為3.5～4.0kΩ，使傳感器的滿量程輸出在100mV以上。傳感器的電路保證了應變電橋電路的供電，并將應變電橋的失衡信號轉換為統(tǒng)一的電信號輸出（0～5，4～20mA或0～5V）。3.5.4壓電壓力傳感器壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指：當沿著一定方向對晶體加力而使其變形時，內部會產生電極化現(xiàn)象，在對應的兩個表面上產生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。3.5.4壓電壓力傳感器逆壓電效應是指在晶體的極化方向施加交變電場，引起晶體在一定方向上產生機械變形或機械應力，當外電場撤去時這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的傳感器可用于電聲和超聲工程。3.5.4壓電壓力傳感器壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。Kistler壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器QSY8113壓電式壓力傳感器3.5.4壓電壓力傳感器壓電材料可分為單晶、多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于多晶的各類壓電陶瓷和單晶中的石英晶體。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，其優(yōu)點是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫；缺點是具有熱釋電性，會對力學量測量造成干擾。有機壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機壓電材料可大量生產和制成較大的面積，它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)越性，是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?.5.4壓電壓力傳感器最先發(fā)現(xiàn)壓電效應的石英晶體中的是一種天然晶體，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于石英晶體壓電系數(shù)比較低，隨著應力的變化電場變化微小，所以石英晶體逐漸被其他的壓電晶體所替代。60年代以來發(fā)現(xiàn)了同時具有半導體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等，利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，因此很有發(fā)展前途。3.5.4壓電壓力傳感器由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產生的電荷量與作用力之間呈線性關系：式中，Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；A為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。壓電式壓力傳感器體積小，結構簡單，工作可靠；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力；測量精度較高；頻率響應高，可達30kHz，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力。3.5.4壓電壓力傳感器在膜片式壓電壓力傳感器中，壓電晶體支撐于絕緣導向套上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電晶體，使壓電晶體受力而產生電荷；電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉換為電壓或電流輸出，輸出信號與被測壓力值相對應。更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放大器時，可以將多個壓電元件并聯(lián)以提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時，可以將多個壓電元件串聯(lián)以提高傳感器的靈敏度。3.5.5集成壓力傳感器微電子機械系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）是21世紀前沿技術，是建立在微米∕納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的、對微米∕納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術，它涉及機械、電子、化學、物理、光學、生物、材料等多學科，將對未來人類生活產生革命性的影響。MEMS齒輪MemsSensor3.5.5集成壓力傳感器微電子機械系統(tǒng)技術采用成熟的微電子技術和微加工技術（包括硅體微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片鍵合等技術）相結合的制造工藝，制造出各種性能優(yōu)異、價格低廉、微型化的傳感器、執(zhí)行器、微型構件、微機械光學器件、真空微電子器件等，在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們所接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。目前MEMS市場的主導產品為壓力傳感器、加速度計、微陀螺儀、墨水噴咀和硬盤驅動頭等。3.5.5集成壓力傳感器1987年美國U.C.Bekeley成功研制出的微型靜電馬達。微機械柱形開關，可二次開發(fā)設計為多種傳感器。TheMEMSmotorCloseUpofMEMSPostStyleActuator3.5.5集成壓力傳感器MEMS壓力傳感器一般分為電容式、壓阻式和壓電式。電容式壓力傳感器的溫漂比較小，精密度很好，芯片的結構具有很好的穩(wěn)定性，但是它的線性度比較差，而且很容易受到寄生電容的影響。壓阻式壓力傳感器，溫漂較大、精密度較低、一致性較差，線性度卻很好，但通過溫度校正、特征參數(shù)校正和智能校正算法也可實現(xiàn)高精度測量。壓電式MEMS壓力傳感器可輕松實現(xiàn)小型化，在于集成的應變硅電橋可直接獲取應變膜的彎曲量，從而實現(xiàn)元件結構的簡化。另外，通過采用薄膜工藝技術、微細加工技術及封裝技術，也可減小傳感器元件尺寸，使其達到業(yè)界最小。3.5.5集成壓力傳感器德國BOSCH公司生產的MEMS壓力傳感器BMP085，是目前最小數(shù)字式壓力傳感器，尺寸為3.6mm×3.8mm×0.93mm。BMP085是一款高精度、超低能耗、智能化的壓力傳感器，配備了求值電路并經(jīng)過完全校準和檢測，絕對精度最低可以達到0.03hPa，并且耗電極低，只有3μA；BMP085采用8-pin陶瓷無引線芯片承載（LCC），超薄封裝，通過I2C總線直接與各種微處理器相連。典型應用有：GPS精確導航（航位推算，上下橋檢測等）、室內室外導航、休閑體育和醫(yī)療健康等，監(jiān)測、天氣預報、垂直速度指示（上升/下沉速度）、風扇功率控制等。3.5.5集成壓力傳感器美國Honeywell公司的FSS系列小型精密可靠觸力傳感器，傳感器采用專門設計的精制壓敏電阻硅傳感元件，通過不銹鋼球將施加的力集中到硅片上，電阻值的變化是隨施加力的大小而成比例變化的。小功率，無放大、無補償?shù)幕菟诡D電橋電路設計可在測力范圍內提供穩(wěn)定的mV輸出。典型應用有：醫(yī)療用輸液泵、可移動的非倒裝壓力泵、堵塞物探測、腎透析機、負載和加壓傳感、可變張力控制、模擬機器人端部感應器等。3.5.5集成壓力傳感器美國Honeywell公司的240pc系列硅壓力傳感器，傳感器集成了惠斯通電橋結構、硅壓阻技術、線性比例輸出，設計簡潔、易安裝且靈活。傳感器適合于包括醫(yī)療設備在內的眾多工業(yè)場合。應用范圍包括：流量校準器、通風及風量監(jiān)控器、氣體流量儀表、透析裝置、睡眠呼吸暫停監(jiān)視與治療設備、HVAC（采暖、通風、空調）控制裝置、氣壓測定、氣動控制等。3.5.5集成壓力傳感器西安自動化儀表一廠生產的FYC系列微型壓力傳感器，分為高溫型和常溫型。FYC系列高溫壓力傳感器采用MEMS技術和SOI技術，集成平膜壓力傳感器芯體，并采用先進的梁膜結構設計，使其具有耐高溫及瞬時高溫沖擊的能力、動態(tài)頻率響應高、超高量程、高過載等特點。該壓力傳感器廣泛應用于航空航天、國防、石油、化工、冶金、電力、船舶、汽車、醫(yī)藥、科研等領域對高溫流體的測量。FYC系列常溫微型壓力傳感器外徑在Φ3mm到Φ12mm、長度不超過25mm，以滿足在空氣動力學研究、飛行器及發(fā)動機試驗、風洞試驗、流體力學及水工試驗、水輪機及水下兵器試驗、生物醫(yī)學應用，化爆或核爆沖擊波等許多研究中的特殊要求。3.5.5集成壓力傳感器美國Honeywell公司的ASDX-DO系列壓力傳感器，內置專用集成電路（ASIC），經(jīng)全面校準并有溫度補償。ASDX-DO壓力傳感器采用標準DIP封裝，可對傳感器偏置、靈敏度、溫度系數(shù)和非線性度進行數(shù)字校正。ASDX系列采用了I2C兼容性協(xié)議，傳感器的輸出是一個16進制格式的已校正的壓力值，其分辨率為12位。具有可用單一5VDC供電電壓工作的特性。傳感器的設計和制造均遵循ISO9001標準，所有ASDX-DO壓力傳感器的精度在滿量程范圍內為±2.0％。壓力傳感器可用于測量絕壓、差壓和表壓，可用于非腐蝕性、非電離的工作流體，如空氣和干燥氣體。3.5.5集成壓力傳感器德國ELMOS公司的共集成壓力傳感器芯片，將ELMOSCMOS技術和最先進的壓力傳感器和創(chuàng)新組裝方法結合在一起，智能校準算法和集成EEPROM中儲存校準數(shù)據(jù)結合在一起，產生了具有評估電子設備和接口的全面集成高精度壓力傳感器。數(shù)字校準算法確保了高精度測量（在氣溫和壓力波動下少于0.5%）。3.5.5集成壓力傳感器美國SMI公司SM5812和SM5852系列為硅微結構OEM壓力傳感器，是基于SMI高穩(wěn)定性安裝在陶瓷基板上的壓阻式壓力芯片，并集成可編程ASIC邏輯器件，生產的具有放大、充分校準、多階壓力修正和溫度補償?shù)碾p列直插式封裝的高性能壓力傳感器。傳感器模塊可直接安裝在標準的PCB板上，經(jīng)過放大、高精確性校準和溫度補償過的壓力信號可通過數(shù)字接口或者模擬輸出。傳感器可用于氣壓測量、醫(yī)療器械（呼吸機、麻醉機和監(jiān)護儀）、HVAC（空調）、水平監(jiān)測、流量測量、氣動控制等。3.5.5集成壓力傳感器美國freescale公司的MPX系列硅壓力傳感器，主要以氣壓測量為主，適合用于醫(yī)療器械，氣體壓力控制等領域，輸出數(shù)字信號。其測量方式可分為：表壓（GP）、絕壓（A、AP）、差壓（D、DP）型。在寬溫度范圍工作時需外加補償網(wǎng)絡和信號調整電路。具體型號分類而定。拓展提高

壓電壓力傳感器應用壓電傳感器主要應用在加速度、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，它具有結構簡單、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)得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。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。因為動態(tài)壓力測量是如此普遍，所以壓電傳感器的應用就非常廣。拓展提高

壓電壓力傳感器應用空氣壓縮機壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，也可以用來測量柴油發(fā)動機、飛機發(fā)動機等燃燒室的壓力檢測；在軍事工業(yè)中，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，QSY8106壓電式壓力傳感器可用于爆炸物理（槍膛、爆炸室等）、發(fā)動機缸壓爆振監(jiān)測等，QSY8106壓電式壓力傳感器主要用于柴油發(fā)動機、飛機發(fā)動機等的管道壓力檢測。螺桿式空壓機壓力傳感器QSY8103壓電式壓力傳感器QSY8106壓電式壓力傳感器QSY8102壓電式壓力傳感器觀察與思考

MEMS電容壓力傳感器在汽車上的應用一種新的電容測量技術的興起，使得車用電容傳感器的數(shù)量急劇上升。將MEMS電容壓力傳感器芯與AD5933專用處理芯片結合，可制造出適合汽車油壓、氣壓、剎車和助力轉向壓力檢測的多種壓力傳感器。請通過網(wǎng)絡查詢AD5933技術手冊，并根據(jù)相關知識分析汽車MEMS電容壓力傳感器工作原理。觀察與思考

MEMS電容壓力傳感器在汽車上的應用AD5933是美國ADI公司生產的高精度阻抗轉換系統(tǒng)分析集成電路，包含一個內建頻率發(fā)生器和一個具有多相串行-并行-串行存貯器的12位模數(shù)轉換器（ADC）。頻率發(fā)生器可以連接一個含未知頻率的復合阻抗。來自復合阻抗的響應信號經(jīng)內部ADC采樣，并被內部的數(shù)字信號處理器（DPS）進行快速傅里葉變換，獲得復合阻抗的實部R和虛部I值，從而方便地計算出阻抗值。3.6壓力傳感器的選型、安裝與維護*3.6.1壓力傳感器的選型3.6.2壓力傳感器的安裝使用3.6.3壓力傳感器的故障維護3.6壓力傳感器的選型、安裝與維護*壓力傳感器促進了自動化控制技術的發(fā)展，在稱量配料、管道壓力測試等方面得到廣泛應用，對各個行業(yè)都起到了極大的推動作用，顯著地提高了工作效率。壓力傳感器選型、安裝與維護直接關乎到壓力測量的準確性，為此要引起高度重視。下面總結了壓力傳感器選型、安裝和故障維護的注意事項，是正確使用壓力傳感器基本保證。3.6.1壓力傳感器的選型1.傳感器的選擇用戶需根據(jù)自己所測力的性質來選擇傳感器。若是固態(tài)、液態(tài)物品或各種物料的稱重，應選擇電阻應變式稱重傳感器或荷重傳感器。對于流體的壓力測量，應先根據(jù)流體性質確定測量參數(shù)：大氣壓、表壓、差壓或絕對壓力；測量海拔高度、緯度及氣象參數(shù)，應選擇大氣壓力傳感器；測量液體、氣體或蒸汽所處空間的壓力，應選擇絕對壓力傳感器；果測量液位，當液位上方是自由大氣壓，應選擇表壓傳感器，表壓力＝絕對壓力－大氣壓＞0；測量密封承壓容器內的液位或管道內的壓力就應該選用差壓產品。3.6.1壓力傳感器的選型1.傳感器的選擇同時還要根據(jù)流體的性質選擇如測量黏性液體、泥漿等應選擇隔離膜＋硅油的形式，若測量溶劑或有腐蝕性的物質則應選擇不銹鋼或鈦合金隔離膜傳感器。3.6.1壓力傳感器的選型2.產品量程的確定先確定系統(tǒng)中測量壓力的最大值，從產品絕對安全考慮通常選擇一個具有比最大值還要大1.5倍左右的壓力量程的傳感器。在許多系統(tǒng)中，尤其是管道壓力測量和加工處理中，有峰值和持續(xù)不規(guī)則的上下波動，這種瞬間的峰值會縮短傳感器的壽命、甚至破壞壓力傳感器，還會使精度下降?？梢杂靡粋€緩沖器來降低壓力波動，但這樣會降低傳感器的響應速度。從傳感器的最佳測量精度和穩(wěn)定性、可靠性考慮，一般選擇使工作壓力值在標準量程值的60%～80%為宜。所以在選擇壓力傳感器時要充分考慮壓力范圍、精度與其穩(wěn)定性。3.6.1壓力傳感器的選型3.產品精度選擇首先，精度等級的確定應根據(jù)測量系統(tǒng)分配給傳感器的最大誤差選項取，有時還應考慮零位時漂、零位和滿度溫度系數(shù)帶入的附加誤差。其次，產品等級按多項參數(shù)分檔，檔級越高，價格越貴，用戶可依據(jù)所檢測工況各項要求和某單項參數(shù)精度指標綜合考慮，以便用較低的價格實現(xiàn)較高的精度測量要求。第三，大部分壓力傳感器在經(jīng)過長時間的工作后會產生“漂移”，使測量精度降低、測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差，因此很有必要在選型前關注傳感器的穩(wěn)定性參數(shù)，以降低將來使用中運行維護成本。3.6.1壓力傳感器的選型4.關注產品的使用溫度范圍溫度變化從兩方面影響傳感器輸出，一是零點漂移，二是影響滿量程輸出。通常一個壓力傳感器會給出工作溫度范圍、零點溫度漂移和額定輸出溫度漂移指標，產品在出廠前都要進行線性溫度補償，其中有些系列的傳感器在組裝了電路后又進行了綜合溫度補償。對于使用溫度范圍寬而又要求總精度高的用戶，還可在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中采用“溫度測量＋軟件”執(zhí)行溫度誤差修正。若長期在溫度極限區(qū)工作，產品壽命將大大縮短。3.6.1壓力傳感器的選型5.壓力傳感器的輸出信號壓力傳感器的輸出信號有mV、V、mA及頻率輸出數(shù)字輸出等，選擇怎樣的輸出取決于多種因素，包括傳感器與系統(tǒng)控制器或顯示器間的距離，是否存在“噪聲”或其他電子干擾信號，是否需要放大器，放大器的位置等。對于許多傳感器和控制器間距離較短的配套設備采用mA輸出的壓力傳感器最為經(jīng)濟而有效的解決方法。同時，輸出信號的類型選擇也決定了電源的選型。許多傳感器有內置的電壓、電流調節(jié)電路模塊，對外接電源的要求不高；有些壓力傳感器是定量配置，需要一個穩(wěn)定的工作電壓或恒定的工作電流，因此需要附加的電源設備，選擇時要綜合考慮。3.6.1壓力傳感器的選型6.具備互換性的壓力傳感器不同種類的壓力傳感器因測量原理、外形結構和輸出信號各不相同，確定所需的壓力傳感器是否能夠適應多個使用系統(tǒng)，或同一系統(tǒng)可以選擇使用多種類型的傳感器，一般來講這對工業(yè)企業(yè)很重要，尤其是對于OEM產品。如果產品具有良好的互換性，那么即使改變所用的傳感器也不會影響整個系統(tǒng)的運行。企業(yè)在生產維護過程中需要更換傳感器，設備供應商在提供成套設備時，因原有傳感器的短缺，而選擇具備互換性的壓力傳感器產品，將為企業(yè)帶來更好的利益。3.6.1壓力傳感器的選型7.壓力傳感器的封裝壓力傳感器的封裝即殼體和電氣接口也是選型的重要依據(jù)。在選購壓力傳感器時一定要考慮到將來傳感器的工作環(huán)境，溫濕度如何，怎樣安裝傳感器，會不會有強烈的撞擊或振動等；常常被忽略的是傳感器的機架，其缺陷在以后使用中會逐漸暴露出來。傳感器的敏感元件、轉換元件、殼體和電氣接口是由多種不同的結構材料生產，具有不同的兼容性。為了獲得最優(yōu)的使用效果，不致因匹配問題而使產品損壞，在選型時應綜合考慮測量對象的準確名稱、特性、工作溫濕度、測量范圍等的工況參數(shù)，以及安裝和電氣連接的基本要求，使相關設備和系統(tǒng)能有序、協(xié)調、高效地運行。3.6.2壓力傳感器