最全压力传感器分类及工作原理！认真看完就会明白其中的奥秘

自动化技术的进步带动了工业设备的更新换代。除了液柱式压力计、弹性式压力表外，工业设备中采用更多的是可将压力转换成电信号的压力变送器和传感器。那么这些压力变送器和传感器是如何将压力信号转换为电信号的呢？今天小编为大家汇总了目前最常见的几种压力传感器的测量原理，一起过足瘾吧！

1、压电压力传感器

基于压电效应（Piezoelectric effect），利用电气元件和其他机械把待测的压力转换成为电量，再进行相关测量工作的测量精密仪器。压电传感器只可以应用在动态测量当中。主要的压电材料是：磷酸二氢胺、酒石酸钾钠和石英。随着技术的发展，压电效应也已经在多晶体上得到应用了。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括在内。

以压电效应为工作原理的传感器是机电转换式和自发电式传感器。它的敏感元件是用压电材料制作而成的。当压电材料受到外力作用时表面会形成电荷，电荷通过电荷放大器、测量电路的放大以及变换阻抗以后，就会被转换成为与所受外力成正比关系的电量输出。它用来测量力以及可以转换成为力的非电物理量，例如：加速度和压力。

优点是：重量较轻、工作可靠、结构简单、信噪比高、灵敏度高以及信频宽等。

缺点是：有部分电压材料忌潮湿，因此需要采取一系列的防潮措施；而输出电流响应又比较差，就要使用电荷放大器或者高输入阻抗电路来弥补这个缺点。

2、压阻压力传感器

压阻效应是用来描述材料在受到机械式应力下所产生的电阻变化。不同于压电效应，压阻效应只产生阻抗变化，并不会产生电荷。大多数金属材料与半导体材料都被发现具有压阻效应。由于硅是现今集成电路的主要材料，以硅制作而成的压阻元件的应用就变得非常有意义。电阻变化不单是来自与应力有关的几何形变，而且也来自材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。

压阻压力传感器一般通过引线接入惠斯登电桥中。平时敏感芯体没有外加压力作用，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变化，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，这样传感器的电阻变化通过电桥转换成压力信号输出。电桥检测出电阻值的变化，经过放大后，再经过电压电流的转换，变换成相应的电流信号，该电流信号通过非线性校正环路的补偿，即产生了与输入电压成线性对应关系的4～20mA标准输出信号。

为减小温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器都采用温度补偿措施使其零点漂移、灵敏度、线性度、稳定性等技术指标保持较高水平。

3、电容压力传感器

利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。这种压力传感器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。电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。

差动电容式压力传感器的受压膜片电极位于两个固定电极之间，构成两个电容器。 在压力的作用下一个电容器的容量增大而另一个则相应减小，测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。过载时膜片受到凹面的保护而不致破裂。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），而且不能实现对被测气体或液体的隔离，因此不宜于工作在有腐蚀性或杂质的流体中。

4、电磁压力传感器

利用电磁原理的传感器统称为电磁压力传感器，主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感等。

①电感压力传感器

电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和变磁导。电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。

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。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。

②霍尔压力传感器

霍尔压力传感器是基于某些半导体材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，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（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）之运动所造成。

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受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产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，建立霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高。常用霍尔元件的材料大都是半导体，包括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材料。

③电涡流压力传感器

基于电涡流效应，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产生。简而言之，就是电磁感应造成的。这个动作产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，因此电涡流压力传感器可用于静态力检测。

5、振弦压力传感器

振弦压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有想当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，即输入的是力信号，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，下部构件主要是敏感元件组合体。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。

振弦式压力传感器可以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停振动，当测量的压力发生变化时，频率会产生变化，这种频率信号经过转换器转换为4~20mA的电流信号。

过程校验仪对电流压力传感器的纪录校正方法

新型Fluke741B和743B/744过程校验仪认证校准器 不但减少了对多种工具的要求，还可自动进行As Found和As Left测试及自动记录和存储测试结果。

电流-压力传感器(通常也叫做I/P)常常用在利用电信 号来控制气动阀的情况下。能够彳寄4至20mA的标准电信号 变为3到15psi压强的这些传感器在造纸、化工、提炼、食 品加工等工厂中，得到广泛的应用。

同其它任何仪器一样，I/P的准确度也会随着时间而漂 移，甚至是使整个单元失效。由于在大多数的控制环路中， 准确度是十分重要的，所以这种漂移和失效会导致重大的 问题。例如：一个偏离基准的I/P会使阀门部分关闭，而不 是全部关闭，这样就很可能发生泄漏。好的情况下，只会 造成产品浪费;坏的情况下，就会因阀门中的液体随处流 动，而造成巨大的损失和人员伤亡。类似地，阀门的部分 关闭还会引发其它问题：从延误生产到影响质量等问题。 正由于这些问题，所以I/P和其它的仪器一样，需要定期进 行校正。

没有过程校验仪前的I/P校正的传统方法

典型的I/P校正过程需要两种仪器：压力计或压力校正 仪、电流源或电流校正器。需要对其它的仪器(如电流到 频率转换器或温度传感器)进行校正的技术人员可能还需 要另外一些测试和信号源仪器,如频率计或温度校正器。如 果既要校正仪器，又要给失效单元排错的话，就需要在测 试仪器中加上数字万用表。为了满足这些要求，技术人员 最终将不得不在不同的仪器间玩魔术似的摆弄或是经常往 来于仪表商店。

校正过程本身包括许多步骤。首先，技术人员作As Found测量：给I/P加上特定的电流，然后记下输出压强，如 果这些测试显示I/P已超出容差范围之外，技术人员就开始 调零、调满度并作线性调整。重复上述步骤多次，直到传 感器达到容差范围之内,一旦传感器工作在正常范围内,技 术员就开始作As Left测试，其中包括在每个测试点上力口 最后一轮的电流源，并测量出压强值。

使工作变得更复杂的是需记录每次测试的结果。例如， 国际质量标准ISO9000就要求记录下所有的仪器校正结果， 同样的，属于FDA, EPA、NRC和OSHA授杈的工厂也必 须满足制定标准文件的要求。

这种记录工作是十分繁琐的,它要求技术员必须能够灵 活处理纸、笔和仪器的关系，有时候还需要中断校正工作， 以便及时记录下测试结果。此外，技术人员通常还需要计 算出每个测试中错误的百分比并加以记录。这不仅很枯燥， 而且易于出错，这种错误可能会导致仪器工作在正常范围 以外。最后，技术员一回到工作间，就必须开始抄写所有 的现场记录。这样又引入产生进一步错误的可能性。

对一个熟练的技术员来说，每个I/P的校正过程需要10 到30分钟，此外还需加上在工作间中完成整个记录的5到 10分钟。

—种更好的方法：

Fluke741B/743B/744过程校验仪

现在有一种十分简单的I/P校正方法。新型Fluke741B 和743B/744过程校验仪在四个主要方面简化了技术员的 校正过程：

1、减少了对多种工具的要求741B和743B/744过程校验仪能够对 压强、温度(热耦和RTD)、电压、电流、阻抗和频率等进 行校正，因而可满足技术人员进行各种仪器校正的所有要 求。它还能同时用来进行排错且技术员元需使用万用表,就 能由校正转到排错。

2、过程校验仪可以实现自动测试

只要技术人员输入一些关键的信息,其中包括初始值的 高低端值、测量的高低端值、容差和测试点数，校正器就 能自动的进行As Found和As Left测试。这样就节省了技 术人员的时间，并减去了手工输入每个测试点值的麻烦。

3、自动计算误差的百分比

741B和743B/744过程校验仪能够自动的计算每次测试的错误百分 比，并根据技术人员所输入的容差值来判仪器是工作在正 常范围还是超出容限范围。这种自动能力不仅节省了时间， 还能保证结果的准确度。技术人员只需要看看屏幕上显示 表格中的结果，就可以知道I/P是否在正常范围内工作。如 果不在正常范围，还可知道何处超出了容差范围。

4、过程校验仪自动记录结果

741B和743B/744过程校验仪能够自动地记录和存储测试的结果。 741B可存储一天的工作，而743B/744则可以存储一周的工 作，回到工作间后，技术员只需重新调出屏幕所显示的结 果，并把它们拷贝到校正表格上;或者是使用743B/744和 Fluke的基于Windows的DPC/TRACK软件，把结果下载到 PC上，并以自动的方式完成表格。

使用741B和743B/744过程校验仪输入测试参数和执行As Found及 As Left测试的这一整体过程所需的时间仅5分钟，其中还 包括记录过程，对一个繁忙的仪器技术人员来说，这些时 间上的节省就意味着工作效率的大幅增加。

741B和743B/744过程校验仪是专门为生产加工工业所设计的适用 于恶劣现场作业的工具。无论是潮湿的气候、粗暴的操作， 还是恶劣的工厂环境，它均可提供准确可靠的性能。

容易使用

使用741B和743B/744过程校验仪校正I/P是比较容易的。只需要 将I/P输入端接至741B或743B/744过程校验仪的电流源端，将I/P的 输出线联接至一个Fluke-700P压强模块上就可以了。

如要进行As Found测试，先按下As Found键，然后， 屏幕上就会掲示输入各步的压强和电流的0°%和100°%的 值、需要校对的测试点个数以及允许容差的百分比，再按 下自动测试键，自动测试就开始了。它将自动地加上每个 特定的电流，测量出每个输出压强值，计算每种情况的误 差百分比，记录下结果，并标出超出容差范围的部分。整 个过程只需要2到3分钟。

如果测试的结果中有超出容差范围的,就可以按下调整 键，轮流选择适当的键(0°%、100°%、50%)以进行必要的 调整。然后再按下As Left和自动测试键，自动记录As Left 测量结果。由于校正器可以记住前面的参数，这次就不必 再输入参数了。

最后，校正器将提示你输入记录号、仪器的序号和你 的操作密码,这样就可以将某套测试结果和特定的仪器联 系起来，以便将来识别。现在你就可以转向下一个仪器的 校正。

过程校验仪灵活的PC接口

使用743B/744过程校验仪和可选项DPC/TRACK软件，可以用电 子化方式在校正器和PC之间进行信息传输。这种通信能力 不仅通过自动完成记录过程来节省时间，还可允许你以标 准ASCII格式从现有的数据库中输入、输出信息。例如，在 一天的开始，管理员将今天要校正的传感器的记录号以及 校正程序远程加载到每个技术人员的校正器中，这样就节 省了技术员手工输入数据的时间，且不必要参考写好的说 明。同样的，如果你的部门使用数据库来跟踪每个传感器 的校正状态，你就可以在每天的工作结束前，从743B/744 中下载数据并输出到你的数据库中，从而实现数据库的自 动更新。

DPC/TRACK还可迅速地产生简明、分步的校正指令。 这些指令不仅能够满足ISO9000的要求，还能确保技术人 员遵从工厂的特定程序。建立校正程序十分容易，只需点 一下743B/744过程校验仪面板上的PC图象，就好象在亲自操作743B/ 744 一样。

利用DPC/TRACK的文本功能，可以在校正程序的前后 增加自己的特殊指令。例如，可以增加打开指令来告诉技 术员在何处能够找到传感器如何隔离和断开它以及如何挂 接测试仪器。类似地，也可以增加解释如何关断测试仪器、 重新连线以及使仪器返回原状态的关闭指令。

DPC/TRACK带有内置的标准报告，可以将其打印出来 以用来为校正数据提供硬拷贝记录。也可以用ASCII格式 将校正数据输出到数据单或者数据库应用软件.在那里， 不仅能够打印出常规的报告，还可以对数据进行分析。

方便的排错功能

当你接到一个修理电话时，741B和743B/744过程校验仪还可以兼 作仪器排错工具，这样就省去了回工作间拿附加的检测和 校正仪器的麻烦。它们具有数字万用表的所有功能，能够 测量最大到300V的AC、DC电压、最大到110mA的DC电流、最大到50KHz的频率并可测量电阻，此外还能验证连 续性。

例如，假设你要对一个功能不正常的I/P进行检查(如 图1所示)，操作员说阀门已经关闭，但是控制器显示阀门 是半开的，你首要的任务就是确定I/P本身是否是问题源。 首先将I/P的输入端连至741B或743B/744过程校验仪的电流源端，I/ P的输出端连至741B或743B/744过程校验仪的压力模块;然后就象前 面作I/P校正那样，加上不同数值的电流，并测出压强。如 果每种数值的输入电流，输出压强值都保持正确，就说明 问题不是出在I/P上。

图1 I/P配置实例

问题的另外一个原因可能在控制器。它可能会输出错误 的电流信号。你可以按照下面的步骤来检验这种可能性： 先去掉一个引线，将741B或743B/744过程校验仪和控制器的输出端 串联起来，然后用741B或743B/744过程校验仪的电流测量功能测出 输出电流。

如果问题既不是出在I/P也不是出在控制器，那么你下 一步该作的就是检测阀门，看它是否接受到正确的压强信 号。你可以将阀门连接到I/P的输出端，或者是将阀门的反 馈放大器连接到741B和743B/744过程校验仪的压强模块，它将显示 阀门实际受到的压力。

如果作用在阀门或阀门的反馈放大器上的压强不正确， 而i/p输出的压强却是正确的，这就说明管道系统和装配部 件存在泄漏。利用一个低廉的手动阀门和T型接头(共需 花10到15美元),就可检验出管道系统和装配部件的有效 性。首先断开I/P与管道系统的连接，将手动阀门连接到两 者之间!

将T型头连接在手动阀门之后，T型头的一端连接到 741B或743B/744过程校验仪的压强模块，另外一端连接到所要测试的 线路。连接如图2所示。

图2用来验证管道和配接系统的配置。

一旦线路中的压强达到稳定，你就可以关闭手动阀门， 停止I/P方向来的任何空气流动，然后用741B和743B/744 过程校验仪的压强测量功能来监视线路的压强。如果不存在泄漏，线 路的压强会保持稳定。如果线路压强连续地下降，就肯定 存在泄漏。为了解决这个问题，你就必须拧紧装配部件或 更换管道系统。

在某些情况下，I/P经常被用在温度控制环路中。在这 种控制环路中主要用蒸汽流来控制环路。如图3中所示，一 个环路组成主要为：一个用来测量温度的热耦或RTD、一 个给控制器传输电信号的温度传送器，一个将控制器输出 信号变为压强的I/P以及一个控制蒸汽流动的气动阀门。

图3温度控制环路实例

如果I/P、控制器给I/P的输出以及加在阀门上的输入 压强都被测过，下一步就是用741B和743B/744过程校验仪的电压 测量功能测量控制器的输入电压。控制器由指示部分和 控制部分组成，因而必须对两者都检测。如果指示器的 指示与741B和743B/744过程校验仪的测量电压相符，就说明这部 分工作正常。

如果控制器确实在控制，但存在偏差(例如，设置点为 50%,而仪器却控制在52%),问题就可能在于控制器没有 校正。为了验证是否为这种情况，应该用741B或743B/744 过程校验仪对控制器作一次校正，在每个测试点上加上电流并测量电 压。如果经过校正，控制器还没有减小偏差，问题就可能 在于内部控制模式，需要进行元件级的排错。

如果发现控制器也没有问题,下一步的工作就是检测温 度传送器的校正。这时，只需正确的选择741B或743B/744 的温度源模式(热耦合或RTD),并同时测量温度传送器的 输出电流即可。

节省大量的时间

741B和743B/744过程校验仪可以在许多方面节省时间。它可以根 据你的说明自动的进行校正，而不需要手动输入每个测试 点的源值和测量值;还可以自动计算误差的百分比，在节 省时间的同时保证了准确度。它除了能够在实质上校正力口 工过程中的各种仪器以外,还能对不同的误差进行排错,所 以不需要为附加的测试和测量仪器而返回工作间。它们可 自动记录结果，因而你就不#中断校正过程而去进行现场 记录。此外，如果你使用743B/744过程校验仪和可选项DPC/TRACK 软件，它还可以为你自动填写一些必要的报表。

由于要奔忙于大多数的仪器商店,许多仪器测试人员都 抱怨他们没有足够的时间进行他们所必须作的预防性的维护工作，主要是因为忙于到处“灭火”。741B或743B/744过程校验仪 的出现，则解决了这个问题。它能使技术人员抽出时间，合 理安II _好各项工作，而不必总是处于灭火救灾的状态。

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