電壓力傳感器

今天，為了測量工業各個領域的壓力，不僅使用水銀氣壓計和無液液體，而且還使用各種傳感器，這些傳感器的工作原理和每種傳感器的固有優缺點都不同。現代電子技術允許直接在電氣、電子基礎上實施壓力傳感器。

那麼我們所說的“電壓力傳感器”是什麼意思呢？什麼是電壓力傳感器？它們是如何排列的，有什麼作用？最後，您應該選擇哪種壓力傳感器最適合特定用途？我們將在本文的過程中找到答案。

首先，讓我們定義術語本身。壓力傳感器是一種輸出參數取決於被測壓力的裝置。測試介質可以是蒸汽、液體或某種氣體，具體取決於特定傳感器的應用。

現代系統需要這種類型的精密工具作為電力、石油、天然氣、食品和許多其他行業自動化系統的重要組成部分。微型壓力傳感器在醫學中至關重要。

每個電壓力傳感器包括：一個用於將衝擊傳遞到主傳感器的敏感元件、一個信號處理電路和一個外殼。主要電壓力傳感器分為：

• 電阻性的（張拉電阻性的）；

• 壓電;

• 壓電共振；

• 電容式；

• 感應式（磁性）；

• 光電。

電阻式或應變式壓力傳感器 這是一種其敏感元件在變形負載的作用下改變其電阻的裝置。應變計安裝在敏感膜上，該膜在壓力下彎曲並彎曲附在其上的應變計。應變片的電阻發生變化，轉換器初級電路中的電流大小隨之變化。

拉伸每個應變片的導電元件會導致長度增加和橫截面減小，從而導致電阻增加。在壓縮中則相反。電阻的相對變化以千分之一測量，因此信號處理電路中使用帶有 ADC 的精密放大器。因此，應變轉換為半導體或導體的電阻變化，然後轉換為電壓信號。

應變計通常是鋸齒形導電或半導體元件，應用於粘附在膜上的柔性底座。基板通常由雲母、紙或聚合物薄膜製成，導電元件是箔、細線或真空噴塗到金屬上的半導體。應變片的敏感元件與測量電路的連接是使用接觸墊或導線進行的。應變片本身通常有2到10平方毫米的面積。

稱重傳感器 非常適合估算壓力水平、抗壓強度和重量測量。

下一種電壓力傳感器是壓電式……這裡，壓電元件充當敏感元件。基於壓電的壓電元件在變形時產生電信號，這就是所謂的直接壓電效應。壓電元件放置在被測介質中，然後換能器電路中的電流將與該介質中的壓力變化成正比。

由於壓電效應的出現要求壓力有精確的變化而不是恆定的壓力，所以這類壓力傳感器只適用於動態壓力測量。如果壓力恆定，則壓電元件不會發生變形過程，壓電元件也不會產生電流。

例如，壓電壓力傳感器用於水、蒸汽、氣體和其他均質介質的渦街流量計的初級流量傳感器。此類傳感器成對安裝在管道中，管道的標稱開口在流體主體後方數十至數百毫米，從而記錄其頻率和數量與體積流量和流量成正比的渦流。

進一步考慮壓電諧振壓力傳感器...... 在壓電諧振壓力傳感器中，逆壓電效應起作用，其中壓電體在施加電壓的作用下發生變形，並且電壓越高，變形越強。該傳感器基於壓電板形式的諧振器，其兩側附有電極。

當向電極施加交流電壓時，板材振動，向一個或另一個方向彎曲，並且振動的頻率等於所施加電壓的頻率。然而，如果板現在通過向其施加外力而變形，例如通過壓敏膜，則諧振器的自由振蕩的頻率將改變。

因此，諧振器的固有頻率將反映壓在諧振器上的膜片上的壓力大小，從而導致頻率發生變化。例如，考慮一個基於壓電共振的絕對壓力傳感器。

測得的壓力通過連接件 12 傳輸到腔室 1。腔室 1 與設備的敏感測量部分由隔膜隔開。主體2、底座6和膜10密封在一起以形成第二密封室。在底座 6 的第二個密封腔中，固定了支架 9 和 4，其中第二個通過橋接件 3 連接到底座 6。支架 4 用於固定靈敏諧振器 5。支撐諧振器 8 是9.由持有人固定。

在測量壓力的作用下，膜10通過套筒13壓在球14上，球14也固定在保持器4中。球 14 依次按壓靈敏的諧振器 5。固定在底座 6 中的電線 7 將諧振器 8 和 5 分別連接到發電機 16 和 17。為了產生與絕對壓力的大小成正比的信號，使用電路15，其根據諧振器的頻率差產生輸出信號。傳感器本身放置在主動恆溫器 18 中，該恆溫器保持 40°C 的恆定溫度。

一些最簡單的是電容式壓力傳感器......兩個扁平電極和它們之間的間隙形成一個電容器。其中一個電極是薄膜，測得的壓力作用在薄膜上，這會導致實際電容器板之間的間隙厚度發生變化。眾所周知，對於恆定的極板面積，扁平電容器的電容會隨著間隙大小的變化而變化，因此，即使要檢測非常小的壓力變化，電容式傳感器也非常非常有效。

小尺寸電容式壓力傳感器可以測量液體、氣體和蒸汽中的超壓。電容式壓力傳感器可用於使用液壓和氣動系統的各種工業過程、壓縮機、泵和機床。傳感器的設計可耐受極端溫度和振動，不受電磁干擾和惡劣環境條件的影響。

另一種類型的電壓力傳感器，遠程類似於電容-電感或磁傳感器......壓敏導電膜位於薄 W 形磁路一定距離處，線圈纏繞在中間磁芯上。隔膜與磁路之間設置一定的氣隙。

當向線圈施加電壓時，其中的電流會產生磁通量，該磁通量既通過磁路本身，又通過氣隙和薄膜，從而關閉。由於間隙中的磁導率比磁路和薄膜中的磁導率小大約 1000 倍，因此即使間隙厚度的微小變化也會導致電路電感的顯著變化。

在被測壓力的影響下，傳感器膜片發生彎曲，線圈的複電阻發生變化。換能器將這種變化轉換成電信號。轉換器的測量部分是根據橋式電路製成的，其中傳感器的線圈包含在其中一個臂中。使用 ADC，來自測量部分的信號被轉換成與測量壓力成比例的電信號。

我們要看的最後一種壓力傳感器是光電傳感器……它們檢測壓力非常簡單，具有高分辨率、高靈敏度和熱穩定性。在光干涉的基礎上工作，使用法布里-珀羅干涉儀測量小位移，這些傳感器特別有前途。帶有孔徑的光學轉換器晶體、LED 和由三個光電二極管組成的檢測器是此類傳感器的主要部件。

厚度差異很小的 Fabi-Perot 濾光片連接到兩個光電二極管。這些過濾器是反射矽鏡，前表面覆蓋著一層氧化矽，在其表面沉積了一層薄薄的鋁。

光學傳感器類似於電容式壓力傳感器，在單晶矽基板上蝕刻形成的膜片上覆蓋著一層薄薄的金屬。玻璃板的底面也有金屬塗層。玻璃板和矽基板之間存在寬度為 w 的間隙，該間隙使用兩個墊片獲得。

兩層金屬構成具有可變氣隙 w 的 Fabia-Perot 干涉儀，其中包括：一個位於薄膜上的可移動反射鏡，它會在壓力變化時改變其位置，以及一個固定的半透明反射鏡，它平行於玻璃板上的反射鏡。

在此基礎上，FISO Technologies生產出直徑僅為0.55mm、可輕鬆穿過針眼的顯微靈敏壓力傳感器。在導管的幫助下，將微型傳感器插入研究體積，測量其中的壓力。

光纖與智能傳感器相連，在微處理器的控制下，打開引入光纖的單色光源，測量背向反射光通量的強度，施加在光纖上的外部壓力傳感器根據校準數據計算並顯示在顯示屏上。例如，在醫學中，此類傳感器用於監測顱內壓、測量肺動脈中的血壓，這是其他任何方式都無法達到的。