第五章 压力传感器

第五章压力传感器（pressuresensors）工程上的压力，实际上就是物理学中的压强，即介质（气液体）垂直作用于单位面积上的力，它是工业生产过程中的一个重要参数，也是一个重要的安全指标：P=F/S。

1Pa=1(N/m2)=(10-5公斤力)/cm2。还有毫米汞柱、水柱等。

低压<107Pa，高压<6×108Pa，真空度指绝对压力低于当地大气压。常见的压力计有三大类：1.液柱式压力计：利用液柱产生的压力与被测介质压力相平衡。即：P1-P0=hr其中P1为被测压力，P0为大气压力，h为液柱高度，r为液体(水、水银)比重。2.弹性式压力计：利用弹性元件的变形与压力之间存在一定的关系来检测压力。常见的弹性元件有：平膜片、C型弹簧管、膜盒、波纹管。

其中波纹膜片和波纹管多用于微压和低压测量；单圈和多圈弹簧管可用于高、中、低压和真空度的测量。

3.电气式压力计：压力

电信号1）利用弹性元件将压力

弹性元件的变形（位移），再利用位移传感器将位移

电信号。位移传感器有：电容式、电感式、电阻式、电位器式、霍尔式、应变式等。

1.外壳；2.固定电极板；3.绷紧的膜片1.O型密封圈；2.金属膜片；3.玻璃；4.多孔金属过滤器；5.电镀金属表面2）利用力敏传感器将压力

电信号。如：压阻式、压电式等。

第一节压阻式传感器(piezoresistorsensors)一、工作原理：其原理与半导体应变片式传感器基本相同，其原理基于压阻效应：即半导体的电阻率变化量与压力成正比：式中—半导体材料的压阻系数；

σ

—所受应力(应力是指单位面积上的平均内力)。

ε

—应变；

E—弹性模量。对于半导体材料，受力后压阻效应造成的电阻率变化远远大于形状变化造成的电阻变化。半导体丝材的电阻变化为：注意：半导体晶体在不同方向的压阻系数不同（分为纵向压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数）。二、应用：固态压阻式压力传感器固态压阻式传感器示意图如下所示，其中（b）图为硅杯。

其核心为一块园形硅膜片（作为弹性敏感元件），其膜片周围用硅环固定，通常称作硅杯，在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上4个阻值相等的电阻：R1、R2、R3、R4，其中两条位于压应力区，另两条处于拉应力区，相对于膜片中心对称，再由导线接成电桥。

第二节压电式传感器(piezoelectvicsensors)一、工作原理：基于压电效应概念：压电传感器是一种典型的有源传感器，又称自发电式传感器。其工作原理是基于某些材料受力后在其相应的特定表面产生电荷的压电效应。特点：体积小、重量轻、结构简单、工作可靠，适用于动态力学量的测量，不适于测频率太低的被测量，更不能测静态量。应用：目前多用于加速度和动态力或压力的测量。除此之外，因压电传感器是一个典型的机电转换元件，它在超声、水声换能器、拾音器、滤波器、压电引信、煤气点火具等方面已普遍应用。

1、压电效应：力电荷。当某些晶体（例如石英晶体）沿着一定方向受外力作用时，晶体内部电荷分布发生变化，使得它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，又重新恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。压电效应的电荷量与外作用力F成正比，即式中qa——压电晶体某个表面上的电荷量，C；

F——外加作用力，N；

d——压电系数（与压电材料特性有关）。压电效应

2、逆压电效应：电场变形。（1）由于压电晶体是各向异性（各方向产生的压电效应不尽相同），所以当受力方向和受力方式不同时，压电系数也不同。（2）逆压电效应：与压电效应相反，在压电材料的极化方向施加电场时，会在晶体的另一方向产生变形，这种现象称为逆压电效应，也称电致伸缩效应。

逆压电效应二二、压电材料分类：①压电晶体：单晶体，例如：石英晶体；②压电陶瓷：一种人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅等；③新型压电材料：压电橡胶等高分子有机压电材料，以及压电半导体材料。1、石英晶体：分子式为SiO2。俗称水晶，有天然和人工之分。（1）性能特点：①绝缘性好，机械强度，刚度大，固有频率高，动态特性好；②时间和温度稳定性极好；③居里点（材料失去压电特性的温度）高：575℃；石英晶体资源较少、价格高，因此石英晶体一般用于精度和稳定性要求高的场合或制作标准传感器。（2）晶轴：①电轴（X轴）：得到电荷最多。②机械轴（Y轴）：机械变形明显。③光轴（Z轴）：不会产生双折射。沿电轴方向加作用力而产生电荷的现象称纵向压电效应；沿机械轴方向加作用力而产生电荷的现象称横向压电效应；沿光轴方向加力时，晶体不产生压电效应。使用时要注意切片方向（X切型或Y切型）。（a）右旋石英晶体；（b）晶轴；（c）水晶X切割2、压电陶瓷（PZT）：压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。特点：①与石英晶体不同，压电陶瓷无纵向、横向压电效应之分。②压电常数大，灵敏度高。③制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；④成形工艺好，成本低廉，利于广泛应用。⑤压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此，它可制作热电式传感器，用于红外探测器中。但这一特性会给其用于压电传感器时造成热干扰，降低温度稳定性。所以对高稳定的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。三、等效电路从信号变换的角度看，压电元件相当于一个电荷发生器，从结构上看，它又是一个电容器，因此可将压电元件等效为一个电荷源与电容相并联的电路。实际上，压电器件不可避免地存在漏电现象，即存在漏电阻，这使得压电式传感器只适合动态测量。压电材料的等效电路除电荷源形式以外，还可以等效成电压源形式：这里。而且只有在外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压才能长期保存下来。否则，电路以时间常数RC按指数规律放电。四、测量电路压电器件是一个有源电容器，因此存在与电容传感器相同的弱点：高内阻、小功率。功率小，则输出的能量微弱，电缆的分布电容及噪声干扰将严重影响输出特性。为此必须进行前置放大。高内阻使压电器件难以直接使用一般放大器，必须进行前置阻抗变换。压电传感器的测量电路—前置放大器，对应于电压源与电荷源有两种形式：电压放大器、电荷放大器，且须具备两功能：信号放大、阻抗匹配。

五、应用1、压电式力传感器2、压电式压力传感器3、压电式加速度传感器4、微振动测试仪：各种大型构件、桥梁、高层建筑、船舶等的晃动测量。

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