西克sick传感器——压力传感器的分类及介绍

压力传感器分类：

　　压力传感器在使用的技能，设计，功能体现，作业适应条件与价格上有很大的差异。初略估计，全世界有60种以上技能的压力传感器和至少300家企业生产压力传感器。

　　压力传感器能够通过它们所能丈量的压强规模，作业温度以及压强类型而进行分类；其中最重要的是压强类型。若依压强类型分类的方式中，压力传感器能够分为以下五类：

　　①、绝对压力传感器：

　　这种压力传感器量测流体真实的压强，也便是相对于真空压强下的压强。海平面上的肯定大气压力是101.325kPa（14.7?PSI）。

　　②、表压力传感器（gauge pressure sensor）：

　　这种压力传感器能够量测某一特定的位置下，相对大气压的压强，胎压计便是一个例子，当胎压计显示读数为0PSI，表示轮胎内部的压力等于大气压力，为14.7PSI。

　　③、真空压力传感器：

　　这种压力传感器用来量测小于一大气压的压强，工业界有些真空压力传感器的读值是相对于一大气压（读值为负值），而有些是以其肯定压力为准。

　　④、压差计：

　　此仪器用来量测二个压强之间的压强差，例如量测滤油器两头的压力差，压差计也用来量测流量或量测压力容器内的液面高度。

　　⑤、密封压力传感器：

　　此仪器和表压力传感器类似，不过此仪器会通过特别的校对，其量测的压强是相对海平面的压强。

　　若依据结构与原理的不同，可分为：应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。

　　1、应变式压力传感器

　　应变式压力传感器是一种通过丈量各种弹性元件的应变来直接丈量压力的传感器。依据制造资料的不同，应变元件能够分为金属和半导体两大类。应变元件的作业原理根据导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体资料发生机械变形时，其电阻值将发生改动。

　　当金属丝受外力效果时，其长度和截面积都会发生改动，其电阻值即会发生改动，假设金属丝受外力效果而伸长时，其长度添加，而截面积削减，电阻值便会增大。当金属丝受外力效果而紧缩时，长度减小而截面添加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻两头的电压的改动，即可获得应变金属丝的应变情况。

　　2、压阻式压力传感器

　　压阻压力传感器是指使用单晶硅资料的压阻效应和集成电路技能制成的传感器。单晶硅资料在遭到力的效果后，电阻率发生改动，通过丈量电路就可得到正比于力改动的电信号输出。它又称为分散硅压阻压力传感器，它不同于张贴式应变计需通过弹性灵敏元件直接感触外力，而是直接通过硅膜片感触被测压力的。

　　压阻压力传感器主要根据压阻效应（Piezoresistive effect）。压阻效应是用来描述资料在遭到机械式应力下所发生的电阻改动。不同于压电效应，压阻效应只发生阻抗改动，并不会发生电荷。

　　大多数金属资料与半导体资料都被发现具有压阻效应。其中半导体资猜中的压阻效应远大于金属。因为硅是现今集成电路的主要原料，以硅制造而成的压阻性元件的使用就变得十分有意义。硅的电阻改动不单是来自与应力有关的几许形变，并且也来自资料本身与应力相关的电阻，这使得其程度因子大于金属数百倍之多。N型硅的电阻改动主要是因为其三个导带谷对的位移所形成不同迁移率的导带谷间的载子从头散布，然后使得电子在不同活动方向上的迁移率发生改动。其次是因为来自与导带谷形状的改动相关的等效质量(effective mass)的改动。在P型硅中，此现象变得更复杂，并且也导致等效质量改动及电洞转化。

　　压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平常灵敏芯体没有外加压力效果，电桥处于平衡状态（称为零位），当传感器受压后芯片电阻发生改动，电桥将失去平衡。若给电桥加一个恒定电流或电压电源，电桥将输出与压力对应的电压信号，这样传感器的电阻改动通过电桥转化成压力信号输出。电桥检测出电阻值的改动，通过扩大后，再通过电压电流的转化，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校对环路的补偿，即发生了输入电压成线性对应联系的4——20mA的标准输出信号。

　　为减小温度改动对芯体电阻值的影响，进步丈量精度，压力传感器都选用温度补偿办法使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技能指标坚持较高水平。

　　3、电容式压力传感器

　　电容式压力传感器是一种使用电容作为灵敏元件，将被测压力转化成电容值改动的压力传感器。这种压力传感器一般选用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感触压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生改动，通过丈量电路即可输出与电压成必定联系的电信号。电容式压力传感器归于极距改动型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

　　单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。薄膜在压力的效果下变形，然后改动电容器的容量，其灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的间隔成反比。另一种型式的固定电极取凹形球面状，膜片为周边固定的张紧平面，膜片可用塑料镀金属层的办法制成。这种型式适于丈量低压，并有较高过载才能。还能够选用带活塞动极膜片制成丈量高压的单电容式压力传感器。这种型式可减小膜片的直接受压面积，以便选用较薄的膜片进步灵敏度。它还与各种补偿和维护部以及扩大电路全体封装在一起，以便进步抗干扰才能。这种传感器适于丈量动态高压和对飞行器进行遥测。单电容式压力传感器还有传声器式（即话筒式）和听诊器式等型式。

　　差动电容式压力传感器的受压膜片电极坐落两个固定电极之间，构成两个电容器。在压力的效果下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，丈量结果由差动式电路输出。它的固定电极是在凹曲的玻璃表面上镀金属层而制成。过载时膜片遭到凹面的维护而不致破裂。差动电容式压力传感器比单电容式的灵敏度高、线性度好，但加工较困难（特别是难以保证对称性），并且不能实现对被测气体或液体的阻隔，因而不适宜作业在有腐蚀性或杂质的流体中。

　　4、压电式压力传感器

　　压电式压力传感器主要根据压电效应（Piezoelectric effect），使用电气元件和其他机械把待测的压力转化成为电量，再进行相关丈量作业的丈量精密仪器，比方很多压力变送器和压力传感器。

　　压电传感器不能够使用在静态的丈量当中，原因是遭到外力效果后的电荷，当回路有无限大的输入抗阻的时分，才能够得以保存下来。可是实际上并不是这样的。因而压电传感器只能够使用在动态的丈量当中。它主要的压电资料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。压电效应便是在石英上发现的。

　　当应力发生改动的时分，电场的改动很小很小，其他的一些压电晶体就会替代石英。酒石酸钾钠，它是具有很大的压电系数和压电灵敏度的，可是，它只能够使用在室内的湿度和温度都比较低的地方。磷酸二氢胺是一种人造晶体，它能够在很高的湿度和很高的温度的环境中使用，所以，它的使用是十分广泛的。跟着技能的开展，压电效应也已经在多晶体上得到使用了。例如：压电陶瓷，铌镁酸压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和钛酸钡压电陶瓷等等都包含在内。

　　压电效应可分为：正压电效应和逆压电效应。

　　正压电效应是指：当晶体遭到某固定方向外力的效果时,内部就发生电极化现象,一起在某两个表面上发生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又康复到不带电的状态；当外力效果方向改动时，电荷的极性也随之改动；晶体受力所发生的电荷量与外力的巨细成正比。压电式传感器大多是使用正压电效应制成的。

　　逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致弹性效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电灵敏元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下发生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有杰出的厚度变形和长度变形压电效应。

　　5、电感压力传感器

　　电磁压力传感器是多种使用电磁原理的传感器统称，主要包含电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。

　　电感式压力传感器的作业原理是因为磁性资料和磁导率不同，当压力效果于膜片时，气隙巨细发生改动，气隙的改动影响线圈电感的改动，处理电路能够把这个电感的改动转化成相应的信号输出，然后达到丈量压力的目的。该种压力传感器按磁路改动能够分为两种：变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的长处在于灵敏度高、丈量规模大；缺陷便是不能使用于高频动态环境。

　　变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力效果时，气隙巨细改动，即磁阻发生了改动。如果在铁芯线圈上加必定的电压，电流会跟着气隙的改动而改动，然后测出压力。

　　在磁通密度高的场合，铁磁资料的导磁率不稳定，这种情况下能够选用变磁导式压力传感器丈量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件替代铁芯，压力的改动导致磁性元件的移动，然后磁导率发生改动，由此得出压力值。

　　6、霍尔压力传感器

　　霍尔压力传感器是根据某些半导体资料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过期，导体内的电荷载子遭到洛伦兹力而倾向一边，继而发生电压（霍尔电压）的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所形成。

　　在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子遭到洛伦兹力而聚集，然后在电子聚集的方向上发生一个电场，此电场将会使后来的电子遭到电力效果而平衡掉磁场形成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺畅通过不会偏移，此称为霍尔效应。而发生的内建电压称为霍尔电压。

　　当磁场为一交变磁场时，霍尔电动势也为同频率的交变电动势，树立霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高。抱负霍尔元件的资料要求要有较高的电阻率及载流子迁移率，以便获得较大的霍尔电动势。常用霍尔元件的资料大都是半导体，包含N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)、砷化镓GaAs)及多层半导体质结构资料，N型硅的霍尔系数、温度稳定性和线性度均较好，砷化镓温漂小，现在使用。

　　7、电涡流压力传感器

　　根据电涡流效应的压力传感器。电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所发生。简而言之，便是电磁感应效应所形成。这个动作发生了一个在导体内循环的电流。

　　电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因而电涡流压力传感器可用于静态力的检测。

　　8、振弦式压力传感器

　　振弦式压力传感器归于频率灵敏型传感器，这种频率丈量具有想当高的精确度，因为时间和频率是能精确丈量的物理量参数，并且频率信号在传输过程中能够忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。一起，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰才能，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、功能稳定，便于数据传输、处理和存储，简单实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也能够作为传感技能开展的方向之一。

　　振弦式压力传感器的灵敏元件是拉紧的钢弦，灵敏元件的固有频率与拉紧力的巨细有关。弦的长度是固定的，弦的振荡频率改动量可用来测算拉力的巨细，即输入是力信号，输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成，下部构件主要是灵敏元件组合体。上部构件是铝壳，包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放置，这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。

　　振弦式压力传感器能够选择电流输出型和频率输出型。振弦式压力传感器在运作式，振弦以其谐振频率不断振荡，当丈量的压力发生改动时，频率会发生改动，这种频率信号通过转化器能够转化为4——20mA的电流信号。

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