传感器应用（第2版） 课件 第3章 压力传感器及应用

第3章压力传感器及应用力无处不在，人们时时刻刻被各种各样的力所环绕。人们生活在大气压力下、承受着地球的引力，人的步行需要重力和地面的摩擦力；货物流通的称量（由重力获得质量），水泥生产过程中的物料输送与配比检测，生活与工业环境噪声检测，自来水、暖气管道的压力检测，石油化工的各种高温气液流体检测，液位与江河海洋的深度检测等，都与力的检测密切相关。利用不同物理效应制成的压力传感器作为信息获取与信息转换的装置器件，全面实现了被测量的转换。第3章压力传感器及应用了解压力传感器的形式多样性与产品的丰富，重新认识常用的电子产品。掌握角度检测传感器的工作原理、组成结构及其在相关领域的应用。掌握电阻、电容、电感式压力传感器的工作原理、典型信号处理电路和压力传感器技术参数，及其在相关领域的应用了解利用新技术、新材料、新工艺制造的其他压力传感器，拓展压力传感器在特殊领域应用的认识。了解压力传感器的传感技术的选型、安装与维护。以平行梁式称重传感器在电子秤上的应用为切入点，掌握压力传感器的使用方法。第3章压力传感器及应用3.1认识压力传感器3.2电阻应变式压力传感器3.3电容式压力传感器3.4电感式压力传感器3.5其他压力传感器*3.6压力传感器的选型、安装与维护*3.7项目实训：自制简易电子秤3.1认识压力传感器3.1.1压力传感器分类3.1.2角度检测传感器1.金属滚珠倾斜开关2.水银倾斜开关3.1认识压力传感器压力传感器是人们生活和工业生产中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种家用电器和生产自动检测控制环节，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。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件（或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。3.1.1压力传感器分类压力传感器的种类繁多，如电阻应变式压力传感器、半导体应变式压力传感器、压电式压力传感器、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。电阻应变式压力传感器电子秤应用实例：机场托运行李称重行李称重称重显示3.1.2角度检测传感器在种类繁多的压力传感器中，利用敏感元件自身重力来实现角度检测的传感器——倾斜开关是最为简捷的压力传感器，其工作原理和结构简单，检测可靠，常见的典型产品有金属滚珠开关、双滚珠开关、水银倾斜开关等。3.1.2角度检测传感器1.金属滚珠倾斜开关镀银金属滚珠开关竖直安装于风扇内部，连接于电源开关之后。当风扇在正立状态打开电源开关时，金属滚珠开关处于竖直状态，金属滚珠依靠自身重力与底部的2个金属引脚触点可靠接触，使倾斜开关处于导通状态，电风扇能够正常运转；当电风扇倾斜（＞20°）或倾倒时，金属滚珠在重力的作用下会滚向一边，使金属滚珠不能同时与底部的2个金属引脚触点可靠接触，从而使倾斜开关处于断开状态，即自动切断风扇电源以保证用电和电气安全。3.1.2角度检测传感器1.金属滚珠倾斜开关双滚珠开关是由2颗镀银滚珠、镀银导电套筒、侧面与导电套筒金属连接的镀银引脚和底部与导电套筒绝缘的镀金引脚构成。当冰柜门盖关闭时，双滚珠开关向镀银引脚端倾斜角度大于10°，两个滚珠处于开关头部不能与镀金引脚接触，为开路OFF状态，控制内部照明灯灭；当冰柜门盖打开时，双滚珠开关向镀金引脚端倾斜角大于10°，两个滚珠立即滚向镀金引脚的金属触点，双滚珠开关变成闭合ON状态，控制内部照明灯亮。3.1.2角度检测传感器1.金属滚珠倾斜开关倾斜检测开关应用电路：通过驱动继电器或触发控制电路，实现弱电对强电的转换控制。该电路还可同时并联多个倾斜开关实现多点位的检测，例如用于库房及特殊场所的安监报警等。3.1.2角度检测传感器2.水银倾斜开关在皮带输送机输送煤炭、矿石等大宗散状物料的场合，经常需要及时知道皮带上是否“断料”，以达到完善生产管理、及时控制的目的。解决这一问题的方法就是给皮带输送机加装料流检测装置——水银倾斜开关。3.1.2角度检测传感器2.水银倾斜开关用支架将金属探头水银倾斜开关悬挂在传送带的上方，当传送带上无物料时，水银倾斜开关自由下垂成竖直状态，环氧树脂内腔中的水银与腔内的2个金属电极接触导通，输出无料信号；当传送带上有物料时，水银倾斜开关被物料推成倾斜状态，水银流向一边，与其中一个金属电极断开，输出有料信号。3.1.2角度检测传感器2.水银倾斜开关金属探头水银倾斜开关耐磨性较强而且牢固，广泛用于检测固体（如粉体、粒体、块体）料仓或中转料槽的上限料位。将金属探头水银倾斜开关悬挂在密闭罐容器的顶部，当从进料口进入的物料堆积到规定高度时，使传感器方向倾斜角度大于20°，水银与其中一个金属电极断开，输出上限料位信号，控制进料机停止进料。拓展提高

有压力开关的倾斜断电台灯生产生活各种电器设备需要进行姿态、状态检测，可用的传感器原理功能各不相。具有倾斜断电功能的台灯，台灯底部安装有压力开关传感器，请分析台灯倾斜断电保护的工作原理。压力开关也可称为触碰开关，在小轿车车门开关状态检测也采用了压力开关传感器，请仔细观察车门开关检测安装情况，分析其工作原理。压力开关传感器还有其他应用吗？3.2电阻应变式压力传感器3.2.1电阻应变效应3.2.2电阻应变片3.2.3平行梁式称重传感器3.2.4柱式荷重传感器3.2.5气液压压力传感器3.2电阻应变式压力传感器1856年英国物理学家W·THOMSON发现了金属电阻的应变效应，1938年首次出现了金属电阻丝应变片（SR-4型），1952年英国人发明了金属箔式应变片，从而为各种力的测量奠定了理论和技术基础。目前广泛应用的典型产品是电阻应变式压力传感器。电阻应变式压力传感器常应用于称重和测力领域，是借助弹性敏感元件将力的变化转化为形变，然后利用电阻导体的应变将力转变成电阻值的变化，通过测量电路得到被测量——力的电信号，最后将电信号的变化值转化为对应的测力值。电阻应变式压力传感器主要由弹性元件、电阻应变片和测量电路组成。3.2电阻应变式压力传感器根据弹性元件常用的结构形式分为：平行梁式称重传感器、S型拉压力传感器和柱式荷重传感器等，可分别应用于电子台秤、电子吊秤和电子汽车衡等。3.2.1电阻应变效应电阻丝在外力作用下发生机械形变（拉升或压缩）时，其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。设有一金属电阻丝，长度为l，截面积为S，电阻率为ρ，则未受力时的电阻为：3.2.1电阻应变效应当电阻丝受拉力F作用时，长度增加△l，截面积缩小△S，电阻值增加△R；当电阻丝受压力F作用时，长度缩小△l，截面积增加△S，电阻值减小△R。3.2.1电阻应变效应根据材料力学理论和实验证明：在金属电阻丝形变的弹性限度范围内，电阻值的相对变化△R／R与应变量εx成正比：式中：K为金属电阻丝的灵敏系数，表示电阻丝产生单位形变时电阻值相对变化的大小，是与金属材料有关的常数。K值越大，单位形变引起的电阻值相对变化越大，灵敏度也就越高；不同的金属材料有不同的灵敏系数，通常取值K=1.7～3.6。εx为电阻丝的轴向应变量，εx=dl/l（另：εy为电阻丝的径向应变量，εy=dr/r；二者满足εy=-μεx

，μ为电阻丝材料的泊松系数）。3.2.2电阻应变片电阻丝的应变是相当微小的，所产生的电阻变化也是极其微小的，为了提高电阻丝长度变化△l的绝对值，人们设计出了敏感栅结构，使长度l成倍增加，从而提高灵敏度，并将其制作成各种形状的应变片。电阻应变片分为金属丝式、金属箔式和薄膜型，随着生产工艺、技术的进步，现有的应变片产品通常采用金属箔式；电阻应变片按结构可分为单片、双片和特殊形状，可用于制作S型拉压力传感器和气液体压力传感器，以及用于扭力测量。3.2.2电阻应变片金属箔电阻应变片，底层为塑料绝缘基片，上层为绝缘保护膜；中间层是由3～10μm的金属箔用光刻技术制成的敏感栅，连接导线焊接在引线焊接点上，常用的材料有康铜、镍铬合金等。国家标准中电阻应变片的阻值规定为60、120、200、350、500、1000Ω，目前传感器生产中大多选用350Ω或1000Ω的应变片。3.2.2电阻应变片用电阻应变片R测量应变或应力时，是将电阻应变片粘贴在弹性元件或被测机械零件的表面。在外力F作用下，弹性元件受力作用会产生机械形变（即应变εx），粘贴在其表面的电阻应变片也随之发生相同的机械形变（即应变εx），使电阻产生△R的变化，可计算出被测对象的应变量εx。根据材料力学的应力和应变关系，有：式中，F为作用于被测对象的外力，εx为被测对象受力后产生的应变量（通过测量计算△R／R可得），A为被测对象的有效截面积，E为弹性元件或被测机械零件材料的弹性模量。3.2.3平行梁式称重传感器测量粘贴于弹性元件表面的应变片电阻变化来计算应力是很困难的，简便的方法是采用测量电桥电路，将应变电阻的变化转换成电压或电流的变化，以实现精确测量。测量电路的形式有应变片单臂电桥电路、应变片双臂电桥电路和应变片全桥电路。因全桥测量电路的灵敏度高、线性度好、具有温度自补偿功能等优点而被广泛采用；随着生产工艺技术的改进，传感器生产成本也大幅度降低，从而成为工程技术人员的首选。3.2.3平行梁式称重传感器平行梁式称重传感器，弹性元件为铝合金材料，常用于电子台秤。如图是电子台秤的工作原理图，当称量物置于称重台上时，对平行梁式称重传感器产生垂直向下的压力，使上下平行梁分别产生拉伸和压缩应变。3.2.3平行梁式称重传感器向下的压力导致粘贴于传感器顶面的R1、R3应变片产生横向的拉伸应变，使电阻值增加△R1和△R3

；同时，导致粘贴于传感器底面的R2、R4应变片产生横向的压缩应变，使电阻值减少△R2和△R4。3.2.3平行梁式称重传感器将4只应变片电阻连接成差动全桥电路，加载直流电压Ui

，则节点A、B的输出电压UO为：3.2.3平行梁式称重传感器通过生产制作工艺控制，使R1=R2=R3=R4=R、△R1=△R2=△R3=△R4=△R，则有：式中，K为金属应变片电阻的灵敏系数，A为铝合金弹性元件的有效截面积，E为铝合金弹性元件的弹性模量，Ui为输入的直流电压。3.2.3平行梁式称重传感器即，平行梁式称重传感器测量模型为：用直流全桥电路测量应变力时，电桥的输出电压与被测压力大小成线性关系；在实际产品中，传感器的输出电压通常只有几mV，对此可以通过后续的电压放大电路将其转换为与称量物对应的电压值，再运用数字处理技术显示出对应的重量。3.2.4柱式荷重传感器对于工业应用的大负荷称重如电子汽车衡、火车轨道衡、料斗秤等，需要称量几十～几百吨位的重量，平行梁式称重传感器难于满足要求。为此研制出了多种专用荷重传感器，如柱式荷重传感器、轮辐式称重传感器、悬臂梁式传感器和桥式传感器等。其中，柱式荷重传感器主要由钢制圆筒、钢制圆柱、应变片和测量转换电路组成，中心的钢制圆柱为弹性敏感元件。3.2.4柱式荷重传感器柱形压力传感器，其核心是在钢制圆柱的侧面对称地粘贴了4只应变片，水平方向和竖直方向各2只。当钢制圆柱受到轴向的荷重压力时，会产生轴向的压力应变εx和径向的拉力应变εy，形象描述为钢制圆柱被压短、变粗。3.2.4柱式荷重传感器设钢制圆柱的有效截面积为A，泊松系数为μ，弹性模量为E，当外加荷重压力为F时，应变片电阻R1、R3对应产生拉力应变ε1、ε3，应变片电阻R2、R4对应产生压力应变ε2、ε4，将应变片电阻连接成全桥电路，则可推导出传感器的电压输出为：3.2.4柱式荷重传感器将ε1=ε3=εy

=-μεx、ε2=ε4=εx代入前式，得：即，输出电压UO与荷重压力F成正比。3.2.4柱式荷重传感器为了使用方便，在工程技术上引入了称重传感器灵敏度KF以及满量程Fm指标，称重传感器灵敏度KF定义为：式中，Ui为传感器电桥输入电压，单位为V；UOm为传感器满量程Fm时的输出电压，单位为mV。因此，称重传感器的灵敏度是以mV∕V为单位。3.2.4柱式荷重传感器称重传感器在额定测量范围内，输出电压UO与被测荷重F成正比，从而有：由此得到被测荷重为F时传感器的输出电压为：3.2.4柱式荷重传感器例题2-1某企业利用hl-8型称重传感器生产微型电子台秤，传感器技术参数如表3-1所示。现对1台产品进行测试，传感器的输入电压为6V，空载时输出为0.552mV，加载200g砝码时输出电压为2.549mV，加载500g砝码时输出电压为5.554mV，请帮助判断该产品是否合格。（注：空载时的输出为称物台的重量）3.2.4柱式荷重传感器表3-1hl-8型称重传感器参数3.2.4柱式荷重传感器3.2.5气液压压力传感器气液压压力传感器是工业实践中最为常用的一种压力传感器，其广泛应用于工业自控环境，涉及石油管道、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、管道送风、锅炉负压等众多行业。3.2.5气液压压力传感器应变式气液压传感器也是以弹性变形为基础，让被测压力作用在传感器的弹性元件上，使弹性元件产生弹性变形，并用弹性变形的大小来量度压力的大小。由于降低和去除压力时弹性形变可恢复，所以应变式测压传感器不仅能测量压力的上升段，也能测量压力的下降段，可反映出压力变化的全过程。常用的应变式气液压压力传感器按结构可分为：筒式液压压力传感器结构、活塞式应变压力传感器结构和平膜片式压力传感器结构等。3.2.5气液压压力传感器1.筒式液压压力传感器筒式液压压力传感器的弹性元件是一支钻有盲孔（及半通孔）的圆筒，称为应变筒。使用时盲孔中注入硅油或其它隔离剂并将其安装到的测量孔中，流体压力作用在硅油上，硅油受压后把压力传送到应变筒的内壁，使应变筒外壁膨胀，发生弹性变形。在应变筒外壁的中部沿圆周方向粘贴有二块工作应变片，以感受应变筒受压力作用时所产生的应变，在无孔部位也粘贴二块补偿应变片，并将应变片连接为如图所示的测量电路，以提高测量的灵敏度和实现温度的自补偿。3.2.5气液压压力传感器筒式液压压力传感器输入输出电压的关系为：3.2.5气液压压力传感器2.活塞式应变压力传感器活塞式应变压力传感器的弹性元件是类似于柱式荷重传感器的金属圆柱，称为应变柱，应变片采用2横2竖上下位粘贴。使用时传感器安装在测压孔内，压力P作用在活塞的一端，活塞把压力转化为力F（F=PS，S为活塞杆的截面积）作用在应变柱上，使应变柱产生轴向压缩应变和径向增大应变。为了消除间隙的影响，装配时应给应变柱一定的预应力，使活塞与应变柱紧密接触。3.2.5气液压压力传感器3.平膜片式压力传感器平膜片式压力传感器的弹性敏感元件是周边固定的平圆膜片，在上面粘贴一个圆形应变片（或采用组合应变片方式），同时在接线板上粘贴相同的补偿应变片，连接电路如图所示，当膜片在被测压力作用下发生弹性变形时，应变片也发生相应的变化，从而使应变片的阻值发生变化，由四个电阻组成的电桥就有相应的输出信号。3.2.5气液压压力传感器表3-2熔体压力传感器技术参数拓展提高

称重传感器在电子皮带称的应用电子皮带秤在钢铁、建材、化工、冶金、粮油、饲料等各大领域广泛使用。建筑行业广泛使用的基础材料——水泥是由石灰石、粘土、铁粉和其它校正原料等4种生料组成，4种原料必须严格按规定的比例进行配料，电子皮带称在自动化水泥生产线上发挥着极其重要的作用。拓展提高

称重传感器在电子皮带称的应用电子皮带称是由承重装置、称重传感器、速度传感器和称重显示器组成。称重时，承重装置将皮带上物料的重力传递到称重传感器上，称重传感器即输出正比于物料重力的电压(mV)信号，经放大器放大后送模／数转换器变成数字量A，送到运算器；速度传感器检测物料输送速度后输出脉冲数B，也送到运算器；运算器对A、B进行运算后，即得到这一测量周期的物料量。对每一测量周期进行累计，即可得到皮带上连续通过的物料总量，实现对输送的散装固体物料自动连续测量。通过使用4台电子皮带秤对物料输送的连续检测和精确控制，就可得到准确的生料配料比，从而保障水泥的生产质量。观察与思考

加速度传感器在汽车安全气囊中的作用应变式加速度传感器结构是在弹性强度梁的上端固定惯性质量块m，梁的下端固定在与外壳相连的基座上，弹性梁的左右侧面粘贴电阻应变片，壳体内充满阻尼硅油，用于产生必要的阻尼避免震动。测量时将传感器按运动方向竖直安装于被测对象上，当有加速度作用于被测物体时，惯性质量块也以相同的加速度运动，其产生的惯性力F正比与加速度a（F=ma），惯性力作用在梁的上端使弹性强度梁产生应变，通过应变测量电路输出与加速度a对应的电信号，实现对运动状态的控制及其应急处理。观察与思考

加速度传感器在汽车安全气囊中的作用应变式加速度传感器作为中高档汽车的安全气囊传感器而被广泛使用。在汽车模拟碰撞试验，当汽车以60km的时速行驶，突然的撞击会让车辆在0.2秒之内停下，请根据相关知识分析汽车安全气囊在车祸发生瞬间如何保护驾驶员和乘客的安全。3.3电容式压力传感器3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器2.差动电容式压力传感器3.3.2电容式压力传感器测量电路1.调频测量电路2.运算放大器测量电路3.交流电桥测量电路4.CAV424专用集成芯片3.3电容式压力传感器电容传感器测量技术在近几年有了很大进展，其广泛应用于位移、振动、角度、加速度、压力压差、液面、成分含量的测量，具有结构简单、体积小、分辨率高、可非接触测量等一系列优点，特别是与集成电路结合这些优点得到更进一步的体现。不锈钢电容压力传感器血压计用电容式压力传感器电容液位压力传感器(变送器)智能型管道电容压力传感器3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器。它一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，是由一个固定电极板和一个薄膜电极板组成，两个电极板之间充满空气或其他液体介质，其电容量为：3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器当薄膜电极板受到压力作用时，将产生△d的极距变化，从而导致电容量的改变：3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器因△d的极距变化很小，使，则有近似的线性关系为：3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器传感器的灵敏度K为：3.3.1电容式压力传感器原理结构1.单电容式压力传感器单电容式压力传感器灵敏度与极板的间距d2成反比，与电极板的面积A成正比；要提高灵敏度，可增加电极板的面积和减小极板的间距。但极板间距d过小容易引起电容器击穿或短路，为此，极板间可采用高介电常数的材料（如云母、塑料膜等）作介质。通常电容式传感器的初始电容为20～30pF，极板间距在25～200μm，最大位移小于极板间距的1/10。3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，又研制出了差动电容式压力传感器，中间为移动电极板，上下为固定电极板，初始状态下有：3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器在压力的作用下，移动电极板会上移△d，电容器C1的间距变为

d-△d，电容器C2的间距变为d+△d，则有：3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器在时，按泰勒级数展开得：3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器电容总的变化量为：电容的相对变化为：3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器忽略高次项，则有近似线性关系：其灵敏度K为：3.3.1电容式压力传感器原理结构2.差动电容式压力传感器测量数学模型可知，差动式电容传感器比单电容传感器的灵敏度提高了1倍，理论推导的非线性误差也大大降低，其差动方式还可消除外界因素造成的测量误差。在实际产品生产中，固定电极是在玻璃凹球面上镀金属而制成，2个玻璃凹球面之间安装测量膜片，过载时膜片受到凹球面的保护而不致破裂。此种电容膜片式绝对压力变送器诞生于80年代，由于它的精度高，耐腐蚀，耐污染，稳定性好，是国内外公认的检测低真空压力的理想仪表。3.3.2电容式压力传感器测量电路1.调频测量电路调频测量电路是将单电容式压力传感器作为LC振荡器谐振回路的一部分，当被测量变化使传感器电容改变时，振荡器的振荡频率发生相应变化，即振荡频率受传感器电容所调制，因此称为调频测量电路。测定频率或经鉴频器将频率变化转换成电压幅值的变化，就可测量出对应的压力值。如图所示为调频测量电路原理框图。3.3.2电容式压力传感器测量电路1.调频测量电路调频测量电路振荡频率满足：式中，C0为电容传感器初始电容，±△C为被测量导致的电容传感器变化量，C1为振荡回路中的固定电容，C2为引线分布电容。3.3.2电容式压力传感器测量电路1.调频测量电路当被测信号为0时，△C=0，振荡器输出的固有频率为：通过测量，就可获得被测量的值。调频测量电路的灵敏度高，可测量出0.01μm的位移变化量；易于获得频率数字信号或高电平直流信号，因此抗干扰能力强；信号可无线发送和接收，实现遥测遥控。缺点是易受温度和电缆电容的影响，需采取稳频措施。3.3.2电容式压力传感器测量电路1.调频测量电路单电容式压力传感器的典型医学应用为腕式电子血压计，随着生活质量的提高和卫生保健的需求，电子血压计已成为家庭生活的必需品。在分析天平的应用中，美国Setra公司发明了独特的“可变陶瓷电容技术”，制成了陶瓷电容传感器模块。当负载放在天平的秤盘上引起陶瓷梁弯曲时，改变了两个电极间间距，电极被接入LC的震荡电路，震荡频率随负载测量电容而改变。从零负载到满量程，频率变化达20MHz，依赖天平内的微处理器可分辨出0.1mg的变化。1987年ISWM（国际称重计量协会）授予Setra技术卓越奖。3.3.2电容式压力传感器测量电路2.运算放大器测量电路将单电容式压力传感器电容接入运算放大器电路中，作为电路的反馈元件，如图所示，是交流电压源，C是固定电容，Cx是传感器电容，是输出信号电压。因运算放大器的开环放大倍数和输入阻抗都非常大，由运算放大器的工作原理有：3.3.2电容式压力传感器测量电路2.运算放大器测量电路将代入上式得：式中，“-”号表示输出电压的相位与电源电压相反。上式说明运算放大器的输出电压与极板间距d成线性关系，这就从原理上解决了单电容式变极距压力传感器输出特性的非线性问题。3.3.2电容式压力传感器测量电路3.交流电桥测量电路将差动电容式压力传感器的电容接入交流电桥，其对称桥臂可分别由电阻、电容、电感和互感元件组成。3.3.2电容式压力传感器测量电路3.交流电桥测量电路在下图中，设感应电势相等各为，传感器的2个电容容抗分别为

和，当电桥所接放大器的输入阻抗足够大时，输出电压为：3.3.2电容式压力传感器测量电路3.交流电桥测量电路将和代入上式，化简后得：上式表明，变压器电桥电路的输出电压与输入位移△d成线性关系。交流电桥测量电路的输出是调幅波，其载波频率为电桥电源频率，其幅值与被测量成比例。4.CAV424专用集成芯片德国AMG公司开发的CAV424是一个集成的电容/电压转换器件，片内包含了完整的电容信号处理单元。当固定一个参考电容时，CAV424可检测出测量电容的相对电容量变化值，在理想情况下，检测范围为2nF～10pF，相对于参考电容的变化范围是5%～100%；其差分电压输出信号可直接用于A/D转换或输入其他信号处理电路，利用内置温度传感器可以实现数字校正。也可将差动电容式压力传感器电容接入CAV424，实现高精度压力测量。4.CAV424专用集成芯片CAV424的测量原理，是通过一个外接电容COSC与内部构成一个频率可调的参考振荡器来驱动两个完全相同的积分器并使他们在时间和相位上同步，两个被控制的积分器的振幅是由电容CX1和CX2来决定。现以CX1作参考电容、CX2作为被测电容，当被测电容传感器电容变化时，积分器2的输出信号幅值会变化；比较两个积分器输出振幅的差值，可得出两个电容CX1和CX2的相对变化量；该差值信号通过后级的低通滤波器到达可调增益的输出级，从而获得被测量的电压信号。表3-3CAV424电容信号转换集成电路引脚功能表拓展提高

声压传感器应用噪声检测已广泛深入到机器制造、建筑设计、交通运输、环境保护、医疗卫生以及国防工程等各个领域，主要是采用高精度声压计进行声功率测试、发动机噪声分析、近场声全息、建筑噪声研究、绘制声压图、环境噪声分析等。电容式传声器是高精度声压计的传感器，其基本结构是一个电容器。在极化电压、负载不变的情况下，输出交变电压的大小和波形由作用在膜片上的声压决定。拓展提高

声压传感器应用声压P指标通常用声压级Lp（dB分贝）表示，定义为声压与基准声压之比的以10为底的对数的20倍。式中，基准声压P0=2×10-5Pa。拓展提高

声压传感器应用为了评估高速动车运行对环境的影响，中国铁道科学院对武广客运专线某测试点进行了环境振动、环境噪声测试、评价及分析。某型号新潜艇交付给海军前，需要进行系泊试验。在试验中对水下运行以及武器发射时，潜艇舱内的声压、空气压力等指标进行测量，保证声压级、空气压力变化在允许的军用标准以内。为了安全生产，也需要对队生产车间进行噪声检测。动车组运行噪声检测潜艇噪声检测生产车间噪声检测3.4电感式压力传感器3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器2.螺管式电感压力传感器3.4.2差动变压器式电感压力传感器3.4.3电感压力传感器测量电路1.谐振式测量电路2.变压器式交流电桥测量电路3.专用测量芯片AD5983.4电感式压力传感器利用电磁感应原理将被测量如位移、压力、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。电感式传感器具有结构简单，工作可靠，测量精度高，零点稳定，输出功率较大等一系列优点；还能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，在工业自动控制系统中被广泛采用。缺点是频率响应低，不适用于快速动态测量。电感式压力传感器传感器主要有自感式和差动变压器式。YSG-3电感压力传感器电感式液位传感器PT系列高温熔体压力传感器3.4.1自感式电感压力传感器自感式电感式压力传感器也称变磁阻式压力传感器，它是在压力作用下使衔铁或铁芯位移，引起线圈的电感发生变化而工作的。根据结构不同可分为变气隙式和螺管式两种。1.变气隙式电感压力传感器由铁芯、线圈、衔铁和压力膜盒四部分组成。衔铁与铁芯之间有气隙，厚度为d；衔铁与压力膜盒稳固粘接。当压力作用于膜盒时，使衔铁上移导致气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。因此，可以通过测量线圈电感的变化来确定压力的大小。3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器由物理学可知，初始状态时线圈的电感为：式中，N为线圈匝数，为空气的磁导率H/m，A为铁芯的截面积，d为气隙厚度。3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器当被测流体压力P作用于膜盒带动衔铁上移时，气隙厚度改变为d-Δd，此时输出的电感量为L=L0+ΔL，有：3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器在时，上式按泰勒级数展开得：忽略高阶项的影响，则有：3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器即：变气隙电感式压力传感器的灵敏度为：3.4.1自感式电感压力传感器1.变气隙式电感压力传感器其灵敏度与气隙的间距d2成反比，与线圈匝数N2成正比，与铁芯的截面积A成正比；要提高灵敏度，在保持气隙的间距d的情况下，增加线圈匝数是很好的选择。PT系列高温熔体压力传感器通常采用此种结构。2.螺管式电感压力传感器在线圈的中心部分插入一个铁芯并与弹簧膜片相连，就构成了螺管式电感压力传感器。当压力P作用在弹簧片上使铁芯沿轴向上移时，线圈的电感就发生变化。在一定范围内，线圈电感量的变化与铁芯位移量有对应关系。这种传感器的特点是结构简单，容易制作，成本低，量程大，灵敏度低，因此仍有广泛应用。3.4.2差动变压器式电感压力传感器差动式电感压力传感器与单一线圈电感压力传感器相比有许多优点，如线性度好、灵敏度高，能抑制环境温度的影响等，但结构相对复杂、技术含量高。将两只完全相同的电感器对称配置，用一个活动衔铁（或铁芯)，便构成了差动式电感传感器。3.4.2差动变压器式电感压力传感器YSG系列电感压力传感器，当被测介质的压力导入C型弹簧管内，即产生弹性变形位移，C型弹簧管端位移时，一方面经传动机构放大，由指示装置在度盘上指示压力值，同时带动衔铁改变其位置，使衔铁与两个电感铁芯的气隙间距一边增加，另一边减少，电感量则一边减少，另一边增加，由此构成电感差动变化。通过电感组成的电桥输出一个与被测压力相对应的交流电压。3.4.2差动变压器式电感压力传感器膜片式差动电感压力传感器，其压力敏感元件采用金属圆形波纹膜片，用来感受被测压力，测量膜片与活动磁芯机械相连，隔离膜片与测量膜片之间的压力传递由中间的填充液实现，常用的填充液为硅油。在被测液体压力作用下，隔离膜片变形带动测量膜片和与其机械连接的活动磁芯移动，从而改变两个电感检测线圈L1、L2的电感，使电感电桥有电压输出，其值与被测压力有确定的关系。3.4.2差动变压器式电感压力传感器分析变间隙式差动电感压力传感器为例进行分析。当衔铁处于中间位置时，两线圈的电感相等，即当衔铁移动时，电感L1、L2改变为：3.4.2差动变压器式电感压力传感器在时，按泰勒级数展开，化简得：则总的电感变化量为：3.4.2差动变压器式电感压力传感器忽略高次项，则有近似线性关系：其灵敏度K为：由可知：差动电感压力传感器比单一电感传感器的灵敏度提高了1倍，且衔铁移动的方向与输出电压的极性对应，这样就可根据输出电压的大小和极性确定被测压力的大小及方向（即正压或负压)。3.4.3电感压力传感器测量电路1.谐振式测量电路对于单电感式压力传感器常采用谐振式测量电路，分为调幅电路和调频电路。在谐振式调幅测量电路中，传感器电感与电容串联构成谐振回路。当传感器处于初始位置时，电感为L0，其谐振频率为：3.4.3电感压力传感器测量电路1.谐振式测量电路谐振频率f0也为输入的交流电的固有频率，交流电路阻抗为：初始时电感L＝L0

，电路处于谐振状态，电路阻抗为纯电阻，电压和电流同相，输出的电压幅值最大。当传感器电感随被测压力变为L＝L0＋△L时，电路阻抗虚部不为0，阻抗增加，使输出电压的幅值下降。通过测量输出电压幅值可得到对应的压力值，该电路特点是灵敏度高、线性差，适用于线性度要求不高的场合。3.4.3电感压力传感器测量电路1.谐振式测量电路在谐振式调频测量电路中，传感器电感与电容并联接入振荡电路中，当传感器处于初始位置时，电感为L0，其谐振频率f0由式（2-28）决定。当传感器电感随被测压力变为L＝L0＋△L时，输出信号频率降低。通过测量输出信号频率即可得到对应的压力值。调频测量电路的特点是灵敏度高、分辨率高、线性适中。3.4.3电感压力传感器测量电路2.变压器式交流电桥测量电路变间隙式YSG系列差动电感压力传感器采用变压器式交流电桥测量电路，L1、L2连接为差动形式，其对应阻抗为、

；另外两臂为交流变压器的次级线圈，提供的交流电压。当负载阻抗足够大时，桥路输出电压为：3.4.3电感压力传感器测量电路2.变压器式交流电桥测量电路初始时，传感器衔铁处于中间位置，电桥处于平衡状态，即L1=L2=L0，Z1=Z2=Z0，此时有。当压力作用时衔铁上移，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电感压力传感器测量电路2.变压器式交流电桥测量电路上式表明，变压器电桥测量电路的输出电压与衔铁的位移△d成线性关系，负号表示输入电压相位与输出电压相位反相。交流电桥测量电路的输出是调幅波，其载波频率为电桥电源频率，其幅值与被测量成比例。3.4.3电感压力传感器测量电路3.专用测量芯片AD598美国AnalogDevices公司针对线性差动变压器式电感传感器应用，设计生产出专用处理芯片AD598。AD598是一个功能完整的线性变化差分变压器（LinearVariableDifferentialTransformer，LVDT）信号处理集成电路芯片。芯片采用高精度、高稳定性的单电源或双电源供电，以完成对变压器机械位移的转换，所有电路功能都集成在芯片上。使用外接少量的无源元件来设定频率和增益，AD598可转换LVDT的次级输出信号为相应的直流电信号。该芯片也可用于旋转可变差动变压器（RotaryVariableDifferentialTransformer，RVDT），实现角度测量。3.4.3电感压力传感器测量电路3.专用测量芯片AD5983.4.3电感压力传感器测量电路3.专用测量芯片AD598AD598电子秤结构，弹性敏感元件是测力环，测力环顶部与移动铁芯机械连接，整体组成为螺管式差动电感压力传感器。测量电路如图所示，2、3脚为振荡信号输出，信号加到差动变压器的初级绕组La，通过铁芯调节后耦合到次级绕组L1、L2上；铁芯的位移量跟重物的质量有关铁芯的位移信号经AD598称重后即为被称重物体的质量。3.4.3电感压力传感器测量电路3.专用测量芯片AD598铁芯上移时VB增大，下移时VA增大，但VA、VB是互为反相的信号，它们一起送入AD598的10、11脚，经内部和差运算、滤波、放大后输出。选择合适的LVDT，AD598的输出电压范围可达-10～+10V。电压输出关系为：拓展提高

学习专用处理芯片AD598从网站输入关键词AD598，查询下载专用处理芯片AD598技术资料，翻译并学习、掌握其经典应用电路，选择参数合理的元器件，实验制作满足一项测量功能的电感传感器（如压力、位移或角度）。3.5其他压力传感器*3.5.1陶瓷压力传感器3.5.2扩散硅压力传感器3.5.3蓝宝石压力传感器3.5.4压电压力传感器3.5.5集成压力传感器3.5其他压力传感器*利用不同性质的材料作为敏感元件、具有不同物理效应的材料作为转换元件进行有机组合，配合采用新技术、新工艺，使压力传感器产品更加丰富多彩，应用领域更加广泛。其典型产品有陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电压力传感器和集成压力传感器。3.5.1陶瓷压力传感器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。陶瓷的热稳定特性好，具有测量精度高、输出信号强、长期稳定性好、电气绝缘程度高等特点。特别是其低成本优势已成为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压力传感器，广泛用于过程控制、环境控制、液压和气动设备、伺服阀门和传动、化学制品和化学工业及医用仪表等众多领域。陶瓷压力传感器分为陶瓷厚膜压力传感器和陶瓷电容压力传感器。3.5.1陶瓷压力传感器1.陶瓷厚膜压力传感器陶瓷厚膜式压力传感器是以特种陶瓷膜片为作为弹性元件，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的一侧并连接成惠斯通电桥，经过烧结固定在陶瓷膜片上，陶瓷膜片另一侧可直接与被测量介质接触。被测介质直接冲击陶瓷膜片，引起电阻应变效应，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毫伏电压信号。通过精密的补偿技术、调阻技术、信号处理技术的处理，使传感器输出信号具有很高的时间稳定性与温度稳定性。3.5.1陶瓷压力传感器1.陶瓷厚膜压力传感器由于传感器边缘设计成特殊加厚结构，传感器可以使用O型橡胶圈直接装配密封在金属外壳中。3.5.1陶瓷压力传感器2.陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器也是采用无中介液的干式陶瓷电容传感器，市场上以德国E.H公司和美国Kavlico公司产品为主。90年代中期，哈尔滨工业大学利用美国Kavlico公司的陶瓷电容式传感器生产出PTM120压力传感器，其性能稳定，测试数据准确，大量投入到石油、化工、电力、钢铁、轻工等行业的压力测量及现场控制。3.5.1陶瓷压力传感器2.陶瓷电容压力传感器陶瓷电容压力传感器采用双电容结构，包括上下极板两部分。在陶瓷弹性膜片上烧结了可动电极，并在可动电极的外面同时烧结一个参考电容，以消除温度对输出信号的影响；在可动电极上再烧结一层玻璃介质防止电极接触时短路。电容极板间的距离由烧结的玻璃体控制，浆料的配方、浓度和烧结的温度变化对极板的间距都有影响。3.5.1陶瓷压力传感器2.陶瓷电容压力传感器当被测压力作用在传感器的陶瓷弹性膜片上时，膜片发生变形，使极板的间距发生变化，导致传感器的电容发生变化，通过测量电路的电容变化即可计算出传感器所受压力的改变，进而测量出压力，再通过处理电路，将电容的变化转化为0.5V～5V输出电压信号。3.5.2扩散硅压力传感器1.扩散硅压力传感器1954年，C.S史密斯在对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现了压阻效应。20世纪90年代中期，美国ICSensors公司、Nova公司应用硅精蚀和硅晶片叠合两项尖端科技生产了新型扩散硅压力传感器并开发出具有精度高，重复性好，抗腐蚀的扩散硅压力传感器。目前，扩散硅压力传感器已广泛应用于航空、航天、液压系统、汽车、泵、制冷、医疗设备等领域。3.5.2扩散硅压力传感器2.工作原理硅单晶材料在受到外力作用产生极微小应变时，其内部原子结构的电子能级状态会发生变化，从而导致其电阻率剧烈变化。用此材料制成的电阻也就出现极大变化，这种物理效应称为压阻效应。利用压阻效应原理，采用集成工艺技术经过掺杂、扩散，沿单晶硅片上的特点晶向，制成应变电阻，构成惠斯通电桥，利用硅材料的弹性力学特性，在同一片硅材料上进行各向异性微加工，就制成了一个集力敏元件与力电转换检测于一体的扩散硅传感器。3.5.2扩散硅压力传感器2.工作原理扩散硅压力传感器实质是硅杯压阻传感器。它以N型单晶硅膜片作敏感元件，通过扩散杂质使其形成四个P型电阻，并组成惠斯通电桥。当膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻阻值发生变化，使电桥有相应的输出。对扩散硅压力传感器，敏感元件通常都是周边固定的圆膜片。主要由硅膜片（硅杯）及扩散电阻、引线、外壳等组成。传感器膜片上下有两个压力腔，分别与被测的高、低压室连通，用以感受压力的变化。通常硅杯直径约为1.8~10mm，膜厚δ=50-500μm。3.5.2扩散硅压力传感器3.技术特点：灵敏度高。扩散硅敏感电阻的灵敏因子比金属应变片高50~80倍，它的满量程信号输出在80-100mv左右。对接口电路适配性好，应用成本相应较低。由于它输入激励电压低，输出信号大，且无机械动件损耗，因而分辨率极高。精度高。扩散硅压力传感器的感受、敏感转换和检测三位一体，无机械连接转换环节，所以不重复性和迟滞误差很小。由于硅材料的刚性好，形变小，因而传感器的线性也非常好。3.5.2扩散硅压力传感器3.技术特点：可靠性高。扩散硅敏感膜片的弹性形变量在微应变量级，膜片最大位移量在微米级，且无机械磨损，无疲劳，无老化，平均无故障时间长，性能稳定，可靠性高。频响高。由于敏感膜片硅材料的本身固有频率高，一般在50kHz。制造过程采用了集成工艺，膜片的有效面积很小，配以刚性结构安装，使传感器频率响应很高，使用带宽可达0～10050kHz。3.5.2扩散硅压力传感器3.技术特点：温度性能好。随着集成工艺技术进步，扩散硅敏感膜的四个电阻一致性得到进一步提高，采用激光调阻、计算机自动修正技术，传感器的零位和灵敏度温度系数已达10-5/℃数量级，工作温度也大幅度提高。抗电击穿性能好。由于采用了特殊材料和装配工艺，扩散硅传感器不但可以做到130℃正常使用，在强磁场、高电压击穿试验中可抗击1500V/AC电压的冲击。3.5.2扩散硅压力传感器3.技术特点：耐腐蚀性好。扩散硅材料具有优良的化学防腐性能，即使传感器受压面不隔离，也能在普通使用中适应各种介质。硅材料又与硅油有良好的兼容性，使它在采用防腐材料隔离时，结构工艺更易于实现。加之它的低电压、低电流、低功耗、低成本和本安安全防爆的特点，可替代诸多同类型产品，具有优良的性能价格比。3.5.3蓝宝石压力传感器利用应变电阻式工作原理，采用钛/硅-蓝宝石耐高温材料、金属膜片结构和高温烧结技术等制造的高温型压力传感器，具有无与伦比的计量特性，可在最恶劣的工作条件下正常工作，且具有抗疲劳、可靠性高、温度性能稳定、精度高、重量轻、性价比高、适用范围广等特点，广泛应用于航空、航天、石油、化工、发电厂、核电站、航海及造船行业等高温压力测控领域。3.5.3蓝宝石压力传感器蓝宝石是单晶体绝缘材料，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；有着非常好的弹性和绝缘特性（1000℃以内），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；蓝宝石的抗辐射性极强；且硅-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。3.5.3蓝宝石压力传感器高温型钛/硅-蓝宝石压力传感器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。利用微机械电子加工工艺在蓝宝石膜片上外延硅层并制作惠斯通电桥，然后将其焊接在钛合金测量膜片上，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，通过拉杆传导给钛合金测量膜片，钛合金测量膜片形变被硅-蓝宝石应变电桥感知，使桥路阻值发生变化，由此产生输出电信号，经放大线路把电信号放大输出，实现压力测量。3.5.3蓝宝石压力传感器对于不同量程的压力传感器，可选用不同厚度的硅-蓝宝石膜片。经验得出，一般选用硅-蓝宝石外延片厚度为300μm左右，根据实际量程需要及线性要求设计元件有效半径，敏感元件电阻设在有效半径的边缘处，以便得到最大的灵敏度，桥路电阻设计为3.5～4.0kΩ，使传感器的满量程输出在100mV以上。传感器的电路保证了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）。3.5.4压电压力传感器压电效应分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当沿着一定方向对晶体加力而使其变形时，内部会产生电极化现象，在对应的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。3.5.4压电压力传感器逆压电效应是指在晶体的极化方向施加交变电场，引起晶体在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时这些变形或应力也随之消失的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的传感器可用于电声和超声工程。3.5.4压电压力传感器压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。Kistler压电式压力传感器压电式压力传感器QSY8113压电式压力传感器3.5.4压电压力传感器压电材料可分为单晶、多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于多晶的各类压电陶瓷和单晶中的石英晶体。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，其优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温；缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积，它与空气的声阻匹配具有独特的优越性，是很有发展潜力的新型电声材料。3.5.4压电压力传感器最先发现压电效应的石英晶体中的是一种天然晶体，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”）。由于石英晶体压电系数比较低，随着应力的变化电场变化微小，所以石英晶体逐渐被其他的压电晶体所替代。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等，利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，因此很有发展前途。3.5.4压电压力传感器由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系：式中，Q为电荷量；k为压电常数；A为作用面积；p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。压电式压力传感器体积小，结构简单，工作可靠；测量范围宽，可测100MPa以下的压力；测量精度较高；频率响应高，可达30kHz，是动态压力检测中常用的传感器，但由于压电元件存在电荷泄漏，故不适宜测量缓慢变化的压力和静态压力。3.5.4压电压力传感器在膜片式压电压力传感器中，压电晶体支撑于绝缘导向套上，由膜片将被测压力传递给压电晶体，使压电晶体受力而产生电荷；电荷量一般用电荷放大器或电压放大器放大，转换为电压或电流输出，输出信号与被测压力值相对应。更换压电元件可以改变压力的测量范围；在配用电荷放大器时，可以将多个压电元件并联以提高传感器的灵敏度；在配用电压放大器时，可以将多个压电元件串联以提高传感器的灵敏度。3.5.5集成压力传感器微电子机械系统（MicroElectroMechanicalSystems，MEMS）是21世纪前沿技术，是建立在微米∕纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的、对微米∕纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术，它涉及机械、电子、化学、物理、光学、生物、材料等多学科，将对未来人类生活产生革命性的影响。MEMS齿轮MemsSensor3.5.5集成压力传感器微电子机械系统技术采用成熟的微电子技术和微加工技术（包括硅体微加工、硅表面微加工、LIGA和晶片键合等技术）相结合的制造工艺，制造出各种性能优异、价格低廉、微型化的传感器、执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件等，在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们所接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。目前MEMS市场的主导产品为压力传感器、加速度计、微陀螺仪、墨水喷咀和硬盘驱动头等。3.5.5集成压力传感器1987年美国U.C.Bekeley成功研制出的微型静电马达。微机械柱形开关，可二次开发设计为多种传感器。TheMEMSmotorCloseUpofMEMSPostStyleActuator3.5.5集成压力传感器MEMS压力传感器一般分为电容式、压阻式和压电式。电容式压力传感器的温漂比较小，精密度很好，芯片的结构具有很好的稳定性，但是它的线性度比较差，而且很容易受到寄生电容的影响。压阻式压力传感器，温漂较大、精密度较低、一致性较差，线性度却很好，但通过温度校正、特征参数校正和智能校正算法也可实现高精度测量。压电式MEMS压力传感器可轻松实现小型化，在于集成的应变硅电桥可直接获取应变膜的弯曲量，从而实现元件结构的简化。另外，通过采用薄膜工艺技术、微细加工技术及封装技术，也可减小传感器元件尺寸，使其达到业界最小。3.5.5集成压力传感器德国BOSCH公司生产的MEMS压力传感器BMP085，是目前最小数字式压力传感器，尺寸为3.6mm×3.8mm×0.93mm。BMP085是一款高精度、超低能耗、智能化的压力传感器，配备了求值电路并经过完全校准和检测，绝对精度最低可以达到0.03hPa，并且耗电极低，只有3μA；BMP085采用8-pin陶瓷无引线芯片承载（LCC），超薄封装，通过I2C总线直接与各种微处理器相连。典型应用有：GPS精确导航（航位推算，上下桥检测等）、室内室外导航、休闲体育和医疗健康等，监测、天气预报、垂直速度指示（上升/下沉速度）、风扇功率控制等。3.5.5集成压力传感器美国Honeywell公司的FSS系列小型精密可靠触力传感器，传感器采用专门设计的精制压敏电阻硅传感元件，通过不锈钢球将施加的力集中到硅片上，电阻值的变化是随施加力的大小而成比例变化的。小功率，无放大、无补偿的惠斯顿电桥电路设计可在测力范围内提供稳定的mV输出。典型应用有：医疗用输液泵、可移动的非倒装压力泵、堵塞物探测、肾透析机、负载和加压传感、可变张力控制、模拟机器人端部感应器等。3.5.5集成压力传感器美国Honeywell公司的240pc系列硅压力传感器，传感器集成了惠斯通电桥结构、硅压阻技术、线性比例输出，设计简洁、易安装且灵活。传感器适合于包括医疗设备在内的众多工业场合。应用范围包括：流量校准器、通风及风量监控器、气体流量仪表、透析装置、睡眠呼吸暂停监视与治疗设备、HVAC（采暖、通风、空调）控制装置、气压测定、气动控制等。3.5.5集成压力传感器西安自动化仪表一厂生产的FYC系列微型压力传感器，分为高温型和常温型。FYC系列高温压力传感器采用MEMS技术和SOI技术，集成平膜压力传感器芯体，并采用先进的梁膜结构设计，使其具有耐高温及瞬时高温冲击的能力、动态频率响应高、超高量程、高过载等特点。该压力传感器广泛应用于航空航天、国防、石油、化工、冶金、电力、船舶、汽车、医药、科研等领域对高温流体的测量。FYC系列常温微型压力传感器外径在Φ3mm到Φ12mm、长度不超过25mm，以满足在空气动力学研究、飞行器及发动机试验、风洞试验、流体力学及水工试验、水轮机及水下兵器试验、生物医学应用，化爆或核爆冲击波等许多研究中的特殊要求。3.5.5集成压力传感器美国Honeywell公司的ASDX-DO系列压力传感器，内置专用集成电路（ASIC），经全面校准并有温度补偿。ASDX-DO压力传感器采用标准DIP封装，可对传感器偏置、灵敏度、温度系数和非线性度进行数字校正。ASDX系列采用了I2C兼容性协议，传感器的输出是一个16进制格式的已校正的压力值，其分辨率为12位。具有可用单一5VDC供电电压工作的特性。传感器的设计和制造均遵循ISO9001标准，所有ASDX-DO压力传感器的精度在满量程范围内为±2.0％。压力传感器可用于测量绝压、差压和表压，可用于非腐蚀性、非电离的工作流体，如空气和干燥气体。3.5.5集成压力传感器德国ELMOS公司的共集成压力传感器芯片，将ELMOSCMOS技术和最先进的压力传感器和创新组装方法结合在一起，智能校准算法和集成EEPROM中储存校准数据结合在一起，产生了具有评估电子设备和接口的全面集成高精度压力传感器。数字校准算法确保了高精度测量（在气温和压力波动下少于0.5%）。3.5.5集成压力传感器美国SMI公司SM5812和SM5852系列为硅微结构OEM压力传感器，是基于SMI高稳定性安装在陶瓷基板上的压阻式压力芯片，并集成可编程ASIC逻辑器件，生产的具有放大、充分校准、多阶压力修正和温度补偿的双列直插式封装的高性能压力传感器。传感器模块可直接安装在标准的PCB板上，经过放大、高精确性校准和温度补偿过的压力信号可通过数字接口或者模拟输出。传感器可用于气压测量、医疗器械（呼吸机、麻醉机和监护仪）、HVAC（空调）、水平监测、流量测量、气动控制等。3.5.5集成压力传感器美国freescale公司的MPX系列硅压力传感器，主要以气压测量为主，适合用于医疗器械，气体压力控制等领域，输出数字信号。其测量方式可分为：表压（GP）、绝压（A、AP）、差压（D、DP）型。在宽温度范围工作时需外加补偿网络和信号调整电路。具体型号分类而定。拓展提高

压电压力传感器应用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。压电式传感器既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。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。因为动态压力测量是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广。拓展提高

压电压力传感器应用空气压缩机压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，也可以用来测量柴油发动机、飞机发动机等燃烧室的压力检测；在军事工业中，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，QSY8106压电式压力传感器可用于爆炸物理（枪膛、爆炸室等）、发动机缸压爆振监测等，QSY8106压电式压力传感器主要用于柴油发动机、飞机发动机等的管道压力检测。螺杆式空压机压力传感器QSY8103压电式压力传感器QSY8106压电式压力传感器QSY8102压电式压力传感器观察与思考

MEMS电容压力传感器在汽车上的应用一种新的电容测量技术的兴起，使得车用电容传感器的数量急剧上升。将MEMS电容压力传感器芯与AD5933专用处理芯片结合，可制造出适合汽车油压、气压、刹车和助力转向压力检测的多种压力传感器。请通过网络查询AD5933技术手册，并根据相关知识分析汽车MEMS电容压力传感器工作原理。观察与思考

MEMS电容压力传感器在汽车上的应用AD5933是美国ADI公司生产的高精度阻抗转换系统分析集成电路，包含一个内建频率发生器和一个具有多相串行-并行-串行存贮器的12位模数转换器（ADC）。频率发生器可以连接一个含未知频率的复合阻抗。来自复合阻抗的响应信号经内部ADC采样，并被内部的数字信号处理器（DPS）进行快速傅里叶变换，获得复合阻抗的实部R和虚部I值，从而方便地计算出阻抗值。3.6压力传感器的选型、安装与维护*3.6.1压力传感器的选型3.6.2压力传感器的安装使用3.6.3压力传感器的故障维护3.6压力传感器的选型、安装与维护*压力传感器促进了自动化控制技术的发展，在称量配料、管道压力测试等方面得到广泛应用，对各个行业都起到了极大的推动作用，显著地提高了工作效率。压力传感器选型、安装与维护直接关乎到压力测量的准确性，为此要引起高度重视。下面总结了压力传感器选型、安装和故障维护的注意事项，是正确使用压力传感器基本保证。3.6.1压力传感器的选型1.传感器的选择用户需根据自己所测力的性质来选择传感器。若是固态、液态物品或各种物料的称重，应选择电阻应变式称重传感器或荷重传感器。对于流体的压力测量，应先根据流体性质确定测量参数：大气压、表压、差压或绝对压力；测量海拔高度、纬度及气象参数，应选择大气压力传感器；测量液体、气体或蒸汽所处空间的压力，应选择绝对压力传感器；果测量液位，当液位上方是自由大气压，应选择表压传感器，表压力＝绝对压力－大气压＞0；测量密封承压容器内的液位或管道内的压力就应该选用差压产品。3.6.1压力传感器的选型1.传感器的选择同时还要根据流体的性质选择如测量黏性液体、泥浆等应选择隔离膜＋硅油的形式，若测量溶剂或有腐蚀性的物质则应选择不锈钢或钛合金隔离膜传感器。3.6.1压力传感器的选型2.产品量程的确定先确定系统中测量压力的最大值，从产品绝对安全考虑通常选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的传感器。在许多系统中，尤其是管道压力测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值会缩短传感器的寿命、甚至破坏压力传感器，还会使精度下降。可以用一个缓冲器来降低压力波动，但这样会降低传感器的响应速度。从传感器的最佳测量精度和稳定性、可靠性考虑，一般选择使工作压力值在标准量程值的60%～80%为宜。所以在选择压力传感器时要充分考虑压力范围、精度与其稳定性。3.6.1压力传感器的选型3.产品精度选择首先，精度等级的确定应根据测量系统分配给传感器的最大误差选项取，有时还应考虑零位时漂、零位和满度温度系数带入的附加误差。其次，产品等级按多项参数分档，档级越高，价格越贵，用户可依据所检测工况各项要求和某单项参数精度指标综合考虑，以便用较低的价格实现较高的精度测量要求。第三，大部分压力传感器在经过长时间的工作后会产生“漂移”，使测量精度降低、测量数据出现较大误差，因此很有必要在选型前关注传感器的稳定性参数，以降低将来使用中运行维护成本。3.6.1压力传感器的选型4.关注产品的使用温度范围温度变化从两方面影响传感器输出，一是零点漂移，二是影响满量程输出。通常一个压力传感器会给出工作温度范围、零点温度漂移和额定输出温度漂移指标，产品在出厂前都要进行线性温度补偿，其中有些系列的传感器在组装了电路后又进行了综合温度补偿。对于使用温度范围宽而又要求总精度高的用户，还可在后续数据处理中采用“温度测量＋软件”执行温度误差修正。若长期在温度极限区工作，产品寿命将大大缩短。3.6.1压力传感器的选型5.压力传感器的输出信号压力传感器的输出信号有mV、V、mA及频率输出数字输出等，选择怎样的输出取决于多种因素，包括传感器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号，是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多传感器和控制器间距离较短的配套设备采用mA输出的压力传感器最为经济而有效的解决方法。同时，输出信号的类型选择也决定了电源的选型。许多传感器有内置的电压、电流调节电路模块，对外接电源的要求不高；有些压力传感器是定量配置，需要一个稳定的工作电压或恒定的工作电流，因此需要附加的电源设备，选择时要综合考虑。3.6.1压力传感器的选型6.具备互换性的压力传感器不同种类的压力传感器因测量原理、外形结构和输出信号各不相同，确定所需的压力传感器是否能够适应多个使用系统，或同一系统可以选择使用多种类型的传感器，一般来讲这对工业企业很重要，尤其是对于OEM产品。如果产品具有良好的互换性，那么即使改变所用的传感器也不会影响整个系统的运行。企业在生产维护过程中需要更换传感器，设备供应商在提供成套设备时，因原有传感器的短缺，而选择具备互换性的压力传感器产品，将为企业带来更好的利益。3.6.1压力传感器的选型7.压力传感器的封装压力传感器的封装即壳体和电气接口也是选型的重要依据。在选购压力传感器时一定要考虑到将来传感器的工作环境，温湿度如何，怎样安装传感器，会不会有强烈的撞击或振动等；常常被忽略的是传感器的机架，其缺陷在以后使用中会逐渐暴露出来。传感器的敏感元件、转换元件、壳体和电气接口是由多种不同的结构材料生产，具有不同的兼容性。为了获得最优的使用效果，不致因匹配问题而使产品损坏，在选型时应综合考虑测量对象的准确名称、特性、工作温湿度、测量范围等的工况参数，以及安装和电气连接的基本要求，使相关设备和系统能有序、协调、高效地运行。3.6.2压力传感器