电阻式应变片电桥压力传感器的说明与应用解析介绍

电阻式应变式压力传感器是由电阻应变片组成的测量电路和弹性敏感元件组合起来的传感器。当弹性敏感元件受到外界压力作用时，将产生应变，粘贴在表面的电阻应变片也会产生应变，电阻值会发生变化。这样弹性体的变形转化为电阻应变片阻值的变化。

一般来说，把4个电阻应变片按照桥路方式连接，两输入端施加一定的电压值，两输出端输出的共模电压随着桥路上电阻阻值的变化增加或者减小。 这种变化的对应关系具有近似线性的关系。找到压力变化和输出共模电压变化的对应关系，就可以通过测量共模电压得到压力值。

通常使用四臂工作的全桥接法测量电桥有较高的灵敏度应变片式位移传感器测量精度也较高，能起到温度自动补偿的作用。

下图为全桥的基本结构

全桥

V0:输入电源电压。U0:输出共模电压；

2. 电阻式应变片电桥压力传感器电路设计

下图是电路框架结构

电路框架

电路一般由放大电路，滤波电路，电压跟随组成，U0为模拟量输出。

1）放大电路：使用差分放大电路；

差分放大电路，比较常用的电路，可以使用分立式运放来搭建差分运放电路；如下图：

差分运放电路

不过，由分立式运放搭建的差分运放电路，外围器件比较多，而且器件本身有差异，外界干扰信号的影响等，可能会引起一些噪声等误差；比如R1,R2的阻值理想状态是需要相同阻值，但是现实中由于生产工艺等原因不可能有相同阻值的电阻，多多少少都会存在一定偏差，所有说运放的结果也不会是理想状态。

因此，为了减少外围器件，以及不必要的误差，建议在条件运行的状况下，采用仪表放大器，其内部已经集成了差分电路，所有使用时外围器件比较少，电路结构简单，受干扰情况也会减小。

常用的仪表运放有AD620,INA128等；下图是INA128内部结构：此图来自INA128数据手册；

INA128内部电路

RG用来条件增益，根据传感器以及实际电路来条件增益；

仪表运放使用时注意选项，供电电压，增益调节范围，输入输出阻抗，共模抑制比CMR，偏压值，以及噪声等；

2）滤波电路;

滤波电路的作用：允许规定范围内的信号通过，而使规定范围之外的信号不能通过。

滤波电路分为：低通滤波，高通滤波，带通滤波，带阻滤波；

低通滤波：允许低频率的信号通过，将高频率的衰减；

高通滤波：允许高频率的信号通过，将低频率的衰减；

带通滤波：允许一定频带范围内的信号通过，将频带范围外的信号衰减；

带阻滤波：允许一定频带范围之外的信号通过，将频带范围内的信号衰减；

滤波电路又分为：无源滤波，有源滤波；

无缘滤波：仅由无源器件（电阻，电容，电感）组成的滤波电路；其有很大的缺点，比如：电路增益小，驱动负载能力差等。

有源滤波：指利用放大器，电阻和电容组成的滤波电路，主要用于数据传输，抑制干扰等方面；当然其也有缺点：受运放频带限制，这种滤波主要用于低频范围。

下图就是一阶有源低通滤波电路；

输入端RC构成低通滤波，特征频率由RC决定；

此电路特点就是：电路简单，但是阻带衰减太慢，选择性较差。

为了提高阻带衰减特性，加快衰减，改善滤波效果，我们可以再加一节RC低通滤波环节，构成二阶低通滤波，效果比一阶要好很多；如下图：

实际电路中具体选哪种滤波呢，我们要根据实际使用要求等情况，做具体的选择；

3）电压电路

下图是电压跟随的示意图：

电压跟随器

电压跟随，意思就是输出电压与输入电压相等，增益为一，起到电压跟随的作用。

许多应用里面都会有电压跟随电路，但是呢很多人觉得既然是输出电压跟输入电压一致，那为何要添加电压跟随电路，不是多此一举嘛，干脆去掉算了，其实看似简单，但是其有很大的作用，建议最好要有电压跟随电路；下面就简单介绍下电压跟随的几个作用。

1）电压跟随起到缓冲的作用

这个缓冲起到承上启下的作用，如果上一级信号输出阻抗比较高，而下一级输入阻抗比较小，那么这时信号就会有损耗，所有在此添加电压跟随电路，就可以在一定程度上避免这种现象。

2）电压跟随起到隔离的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，常用于中间级，以隔离前后级电路，消除前后级电路之间的相互影响。

3）电压跟随起到阻抗匹配的作用

电压跟随器具有输入阻抗高，输出阻抗低的特性，使得它在电路中可以完成阻抗匹配的功能，使下一级电路工作的更好，尤其在音频处理里面这个作业体现的更为出色。

3. 总结

电阻式应变片电桥压力传感器，的使用比较常见，电路比较简单，基本上由运放电路，滤波电路，跟随电路组成后，就可以满足普通的采样使用；可以直接接入带AD功能的MCU上进行采样，或者接AD转换芯片，再接入MCU等；当然实际使用过程中电压，增益，量程等，根据相关传感器手册，芯片手册等可自行调节。

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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。

单电容式压力传感器由圆形薄膜与固定电极构成。 薄膜在压力的作用下变形，从而改变电容器的容量，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距离成反比。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方法制成。这种型式适于测量低压，并有较高过载能力。还可以采用带活塞动极膜片制成测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，以便采用较薄的膜片提高灵敏度。它还与各种补偿和保护部以及放大电路整体封装在一起，以便提高抗干扰能力。这种传感器适于测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。

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