压力传感器的工作原理
压力传感器是工业实践中常用的传感器，广泛应用于各种工业自动控制环境，涉及水利水电、铁路运输、智能建筑、生产自动控制、航空航天、石油化工、油井、电力、船舶、机床、管道等诸多行业。这里简单介绍一些常用传感器的原理和应用。
一个
应变式压力传感器的原理及应用
机械传感器有很多种，如电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、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、电容式加速度传感器等。但压阻式压力传感器应用广泛，价格极低，精度高，线性特性好。下面我们主要介绍这类传感器。
当对电阻式力传感器进行解压缩时，我们首先了解电阻式应变仪。电阻应变片是一种将被测零件上的应变变化转换成电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要部件之一。金属电阻应变计和半导体应变计被广泛使用。金属电阻应变片有两种:金属丝应变片和金属箔应变片。通常，应变仪通过一种特殊的粘合剂与产生机械应变的基板紧密结合。当衬底的应力改变时，应变仪的电阻改变，从而施加到电阻器的电压改变。这种应变片通常在受力时电阻变化很小。一般这种应变片形成一个应变电桥，由后续的仪表放大器放大后再传输到处理电路 (通常为模数转换器)
转换和CPU
)显示器或致动器。
金属电阻应变计的内部结构
如图1所示
如所示，是电阻应变片的结构示意图，由基材、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片、引出线等组成。根据不同的用途，电阻应变片的电阻值可以由设计者自行设计，但要注意电阻值的范围:电阻值过小，所需驱动电流过大。同时，应变片的发热导致其自身温度过高。在不同环境下使用时，应变片电阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。但电阻过大，阻抗过高，抗外界电磁干扰能力差。一般在几十欧到几万欧左右。
电阻应变仪的工作原理
金属电阻应变片的工作原理是吸附在基材上的应变电阻随机械变形而变化的现象，俗称电阻应变效应。金属导体的电阻值可以由下面的公式表示:
式中:ρ-金属导体的电阻率(ω。平方厘米/平方米
)
S
-导体的横截面积(cm2
)
L
-导线长度(米
)
我们以金属丝的应变电阻为例。当金属丝受到外力时，它的长度和截面积都会发生变化。从上面的公式很容易看出，它的电阻值会发生变化。如果金属丝受到外力拉伸，其长度会增加，截面积会减少，电阻值会增加。导线受外力压缩时，长度减小，截面增大，电阻值减小。只要测量电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压)，就可以得到。
应变丝的应变情况
二
陶瓷压力传感器的原理及应用
耐腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体传输，压力直接作用在陶瓷膜片的正面，使膜片轻微变形。厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接形成惠斯通电桥(闭合电桥)。由于压电电阻器的压阻效应，电桥产生与压力和激励电压成比例的高度线性的电压信号。根据不同的压力范围，标准信号被校准为2.0。
/
三
/
三点三十分
MV/V等。，可与应变传感器兼容。通过激光标定，传感器具有较高的温度稳定性和时间稳定性，传感器本身具有0°的温度补偿。
~ 70℃，并能与大多数介质直接接触。
陶瓷是公认的高弹性、耐腐蚀、耐磨损、耐冲击、耐振动的材料。陶瓷的热稳定性及其厚膜电阻可使其工作温度范围高达-40℃
~135
温度，具有较高的精度和稳定性。电气绝缘度2kV，输出信号强，长期稳定性好。高性能、低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向。在欧美，有完全取代其他类型传感器的趋势。在中国，越来越多的用户使用陶瓷传感器取代扩散硅压力传感器。
三
扩散硅压力传感器的原理及应用
工作原理:被测介质的压力直接作用在传感器的膜片(不锈钢或陶瓷)上，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，这种变化被电子电路检测到，并转换输出一个与此压力相对应的标准测量信号。
示意图
四
蓝宝石压力传感器的原理及应用
基于应变电阻的工作原理，硅-
蓝宝石作为半导体敏感元件，具有计量特性。
蓝宝石由单晶绝缘体元素组成，不会造成迟滞、疲劳和蠕变。蓝宝石比硅更坚固，硬度更高，不怕变形；蓝宝石具有非常好的弹性和绝缘性能(1000
指挥官
内)，因此，使用硅-
由蓝宝石制成的半导体传感器对温度变化不敏感，即使在高温下也具有良好的工作特性。蓝宝石抗辐射能力强；此外，硅-
蓝宝石半导体传感器，无p-n
因此，漂移从根本上简化了制造过程，提高了可重复性，并确保了高产量。
用硅-
采用蓝宝石半导体敏感元件制成的压力传感器和变送器能在恶劣的工作条件下正常工作，可靠性高，精度好，温度误差小，性价比高。
表压传感器和变送器由两块膜片组成:钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延应变敏感电桥电路的蓝宝石薄片焊接在钛合金测量膜片上。测量的压力被传送到接收膜片(接收膜片和测量膜片通过拉杆牢固地连接在一起)。在压力的作用下，钛合金接收膜片变形，这是由硅-
蓝宝石传感器感应后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与测得的压力成正比。
该传感器的电路可以保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的不平衡信号转换成统一的电信号输出(0-5
4-20mA或0-5V)。在绝对压力传感器和变送器中，与陶瓷基玻璃焊料相连的蓝宝石片起到弹性元件的作用，将测得的压力转化为应变片的形变，从而达到压力测量的目的。
五
压电式压力传感器的原理及应用
压电传感器中使用的主要压电材料包括应时、酒石酸钾钠和磷酸二氢。其中，应时(二氧化硅)是一种天然晶体，在这种晶体中发现了压电效应。在一定的温度范围内，压电性能一直存在，但温度超过这个范围后，压电性能完全消失(这个高温称为
居里点)。由于电场随应力的变化而略有变化(也就是说压电系数相对较低)，应时逐渐被其他压电晶体所取代。酒石酸钾钠具有很大的压电敏感性和压电系数，但只能在室温和低湿度下应用。磷酸二氢胺是一种人工晶体，能承受高温和相对较高的湿度，因此得到了广泛的应用。
现在压电效应也应用于多晶体，如压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷和PZT。
、铌酸盐压电陶瓷、铌酸铅镁压电陶瓷等等。
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，因为只有当回路具有无穷大的输入阻抗时，外力作用后的电荷才得以保留。实际情况并非如此，因此决定了压电传感器只能测量动态应力。
压电传感器主要用于加速度、压力和力的测量。压电加速度计是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长的优点。压电式加速度计已广泛应用于飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑物的振动和冲击测量，特别是在航空和航天领域。压电传感器也可以用来测量发动机的内燃压力和真空度。它还可以用于军事工业，例如测量枪支子弹在膛内发射瞬间的膛压变化和枪口冲击波压力。它可以用来测量大压力和小压力。
压电传感器也广泛用于生物医学测量。例如，心室导管麦克风由压电传感器制成。因为测量动态压力是如此普遍，压电传感器被广泛使用。压力传感器特性和应用设计实验报告。
一、目的要求:
(一)了解压力传感器的工作原理和应用。
(2)设计数字压力装置。
二、实验装置:
压力传感器电位器稳压电源游标卡尺
指针式检流计重量计算机
三、实验原理:
压力传感器由四个电阻应变片组成，分别贴在弹性体平行梁的上下表面。由四个应变片组成的电桥采用不平衡电桥原理，将压力转换成不平衡电压进行测量。如下所示:
(一)应变与压力的关系。
电阻应变片石将机械应变转化为电阻值变化。
贴应变片处的应变为ε = f/y = 6fl0/bhhy。
所以应变ε和压强f成正比。
(2)应变力与电阻的关系。
当弹性体的应变发生变化时，附着在其上的电阻应变片也随之变化。抗拉电阻调式应变片的电阻增大，而抗压电阻应变片的电阻减小，四个电阻应变片形成一个电桥，成为差动电桥。
(3)电阻与电压的对应比例关系。
如果r1=r2=r3=r4，δr1=δr2=δr3=δr4，则有
四个实验步骤:
(1)设计用于测量压力传感器特性的电路和仪器。
装置，并测量其特性曲线。
1根据下图安装仪器和设备。
等截面梁结构电路图
等截面梁结构应变片安装示意图
2根据全桥电阻测量安装电路图。
全桥电阻测量
3.将C、D接口连接到电位器上，调整电阻箱，使数字显示变小。
4.将5、15、35、85、185g砝码分别放入托盘中，记录数据并填表。
5、数据处理。
h = 1.0毫米= 24.60毫米= 180.0毫米
三点四一
一点七一
零点八七
零点五二
零点三四
零点二六
平均值(V) 3.41
一点七二
零点八六
零点五一
零点三四
零点二七
卸载电压(v)
三点四一
一点七四
零点八八
一点五三
一点三五
零点二五
负载电压(v)
一百八十五个
八十五
三十五岁
十五
五
零
负载力(克)
图a: 3.41
七十九点五九分
一点八一三
一百八十五个
五
一点七一
三十六点五十七分
零点八三三
八十五
四
零点八七
十五点零六分
零点三四三
三十五岁
三
零点五二
六点四十五分
零点一四七
十五
二
零点三四
二点一五
零点零四九
五
一个
零点二六
零
零
零
电压(毫伏)
压力(*1000000)
负载ni(n)
重量(克)
频率
图b: u(毫伏)
u=0.04f+0.26
女大学生
图c
(2)设计数字压力装置。
四个实验步骤:
数字显示窗口
转换
0000
电源
托盘
数字压力装置的出现
(2)设计数字压力装置。
数字压力装置内置图
托盘
数字压力装置内置电路图
电位计
转换器
计算机
电源
转换
讲师:
xxx
参考书目:
现代物理学的综合应用与设计
大学物理实验