电压力传感器

今天，为了测量工业各个领域的压力，不仅使用水银气压计和无液液体，而且还使用各种传感器，这些传感器的工作原理和每种传感器的固有优缺点都不同。现代电子技术允许直接在电气、电子基础上实施压力传感器。

那么我们所说的“电压力传感器”是什么意思呢？什么是电压力传感器？它们是如何排列的，有什么作用？最后，您应该选择哪种压力传感器最适合特定用途？我们将在本文的过程中找到答案。

首先，让我们定义术语本身。压力传感器是一种输出参数取决于被测压力的装置。测试介质可以是蒸汽、液体或某种气体，具体取决于特定传感器的应用。

现代系统需要这种类型的精密工具作为电力、石油、天然气、食品和许多其他行业自动化系统的重要组成部分。微型压力传感器在医学中至关重要。

每个电压力传感器包括：一个用于将冲击传递到主传感器的敏感元件、一个信号处理电路和一个外壳。主要电压力传感器分为：

• 电阻性的（张拉电阻性的）；

• 压电;

• 压电共振；

• 电容式；

• 感应式（磁性）；

• 光电。

电阻式或应变式压力传感器 这是一种其敏感元件在变形负载的作用下改变其电阻的装置。应变计安装在敏感膜上，该膜在压力下弯曲并弯曲附在其上的应变计。应变片的电阻发生变化，转换器初级电路中的电流大小随之变化。

拉伸每个应变片的导电元件会导致长度增加和横截面减小，从而导致电阻增加。在压缩中则相反。电阻的相对变化以千分之一测量，因此信号处理电路中使用带有 ADC 的精密放大器。因此，应变转换为半导体或导体的电阻变化，然后转换为电压信号。

应变计通常是锯齿形导电或半导体元件，应用于粘附在膜上的柔性底座。基板通常由云母、纸或聚合物薄膜制成，导电元件是箔、细线或真空喷涂到金属上的半导体。应变片的敏感元件与测量电路的连接是使用接触垫或导线进行的。应变片本身通常有2到10平方毫米的面积。

称重传感器 非常适合估算压力水平、抗压强度和重量测量。

下一种电压力传感器是压电式……这里，压电元件充当敏感元件。基于压电的压电元件在变形时产生电信号，这就是所谓的直接压电效应。压电元件放置在被测介质中，然后换能器电路中的电流将与该介质中的压力变化成正比。

由于压电效应的出现要求压力有精确的变化而不是恒定的压力，所以这类压力传感器只适用于动态压力测量。如果压力恒定，则压电元件不会发生变形过程，压电元件也不会产生电流。

例如，压电压力传感器用于水、蒸汽、气体和其他均质介质的涡街流量计的初级流量传感器。此类传感器成对安装在管道中，管道的标称开口在流体主体后方数十至数百毫米，从而记录其频率和数量与体积流量和流量成正比的涡流。

进一步考虑压电谐振压力传感器...... 在压电谐振压力传感器中，逆压电效应起作用，其中压电体在施加电压的作用下发生变形，并且电压越高，变形越强。该传感器基于压电板形式的谐振器，其两侧附有电极。

当向电极施加交流电压时，板材振动，向一个或另一个方向弯曲，并且振动的频率等于所施加电压的频率。然而，如果板现在通过向其施加外力而变形，例如通过压敏膜，则谐振器的自由振荡的频率将改变。

因此，谐振器的固有频率将反映压在谐振器上的膜片上的压力大小，从而导致频率发生变化。例如，考虑一个基于压电共振的绝对压力传感器。

测得的压力通过连接件 12 传输到腔室 1。腔室 1 与设备的敏感测量部分由隔膜隔开。主体2、底座6和膜10密封在一起以形成第二密封室。在底座 6 的第二个密封腔中，固定了支架 9 和 4，其中第二个通过桥接件 3 连接到底座 6。支架 4 用于固定灵敏谐振器 5。支撑谐振器 8 是9.由持有人固定。

在测量压力的作用下，膜10通过套筒13压在球14上，球14也固定在保持器4中。球 14 依次按压灵敏的谐振器 5。固定在底座 6 中的电线 7 将谐振器 8 和 5 分别连接到发电机 16 和 17。为了产生与绝对压力的大小成正比的信号，使用电路15，其根据谐振器的频率差产生输出信号。传感器本身放置在主动恒温器 18 中，该恒温器保持 40°C 的恒定温度。

一些最简单的是电容式压力传感器......两个扁平电极和它们之间的间隙形成一个电容器。其中一个电极是薄膜，测得的压力作用在薄膜上，这会导致实际电容器板之间的间隙厚度发生变化。众所周知，对于恒定的极板面积，扁平电容器的电容会随着间隙大小的变化而变化，因此，即使要检测非常小的压力变化，电容式传感器也非常非常有效。

小尺寸电容式压力传感器可以测量液体、气体和蒸汽中的超压。电容式压力传感器可用于使用液压和气动系统的各种工业过程、压缩机、泵和机床。传感器的设计可耐受极端温度和振动，不受电磁干扰和恶劣环境条件的影响。

另一种类型的电压力传感器，远程类似于电容-电感或磁传感器......压敏导电膜位于薄 W 形磁路一定距离处，线圈缠绕在中间磁芯上。隔膜与磁路之间设置一定的气隙。

当向线圈施加电压时，其中的电流会产生磁通量，该磁通量既通过磁路本身，又通过气隙和薄膜，从而关闭。由于间隙中的磁导率比磁路和薄膜中的磁导率小大约 1000 倍，因此即使间隙厚度的微小变化也会导致电路电感的显着变化。

在被测压力的影响下，传感器膜片发生弯曲，线圈的复电阻发生变化。换能器将这种变化转换成电信号。转换器的测量部分是根据桥式电路制成的，其中传感器的线圈包含在其中一个臂中。使用 ADC，来自测量部分的信号被转换成与测量压力成比例的电信号。

我们要看的最后一种压力传感器是光电传感器……它们检测压力非常简单，具有高分辨率、高灵敏度和热稳定性。在光干涉的基础上工作，使用法布里-珀罗干涉仪测量小位移，这些传感器特别有前途。带有孔径的光学转换器晶体、LED 和由三个光电二极管组成的检测器是此类传感器的主要部件。

厚度差异很小的 Fabi-Perot 滤光片连接到两个光电二极管。这些过滤器是反射硅镜，前表面覆盖着一层氧化硅，在其表面沉积了一层薄薄的铝。

光学传感器类似于电容式压力传感器，在单晶硅基板上蚀刻形成的膜片上覆盖着一层薄薄的金属。玻璃板的底面也有金属涂层。玻璃板和硅基板之间存在宽度为 w 的间隙，该间隙使用两个垫片获得。

两层金属构成了具有可变气隙 w 的 Fabia-Perot 干涉仪，其中包括：一个位于薄膜上的可移动反射镜，当压力变化时它会改变其位置，以及一个在玻璃板上与其平行的静止半透明反射镜。

在此基础上，FISO Technologies生产出直径仅为0.55mm、可轻松穿过针眼的显微灵敏压力传感器。在导管的帮助下，将微型传感器插入所研究的容积中，测量其中的压力。

光纤与智能传感器相连，在微处理器的控制下，打开引入光纤的单色光源，测量背向反射光通量的强度，施加在光纤上的外部压力传感器根据校准数据计算并显示在显示屏上。例如，在医学中，此类传感器用于监测颅内压、测量肺动脉中的血压，这是其他任何方式都无法达到的。