压差传感器原理 压力传感器丨定义，原理，应用
压力传感器丨定义、原理、应用
压力传感器是工业实践中常用的设备，作为自控系统的重要组成部分，压力传感器能够用于工业过程中压力参数的测量和控制，常用于高温、低压、腐蚀、振动等环境。
压力传感器的原理是基于压力感测技术，能够将被测压力转化为4G信号，进行传输和处理。
① 传感元件感应压力：在被测液体或者是气体向感应元件施加压力时，感应元件的物理性质会发生变化。
② 信号转换：感应元件输出的压力信号会被转化为标准的4G信号。
③ 信号处理：被转换后的4G信号会被进一步处理，以确保测量的准确性和稳定性。
④ 输出信号：处理后的4G信号被传输至软件平台上，以便工作人员随时查看实时数据和历史数据，进行管理。
应用领域多样，在工业自动化中可以监测和控制工业过程中的液体和气体压力；在液位测量中可以通过测量液体静压确定液位；在食品制造业中能够通过监测食品加工过程中的气体和液体压力，确保生产质量；在水处理中能够监测供水和污水梳理系统的中的压力和流量保障工作运行正常。
压力传感器分类及工作原理综述
压力传感器是一种能感受压力信号，并将压力信号转换成可用输出电信号的器件或装置，通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。压力传感器是工业应用中最为常见的一种传感器，广泛应用于消费电子、水利水电、轨道交通、楼宇自控、航空航天、核电军工、石油石化、生物制药、汽车船舶、液压机床、管道输送等众多行业。
压力传感器按不同的压力测量类型，压力传感器可分为表压传感器、绝压传感器和差压传感器。
1、表压传感器：是一种测量相对压力值的压力传感器。受压元件的膜片或膜盒的待检测面与大气压连通，实际是测量介质压力与大气压的差压。这种表压传感器是差压传感器的一种，但加在受压元件单侧的压力是大气压，会随着大气压的变化而变化。还有一种表压传感器叫密封表压传感器，密封表压传感器的受压元件膜片或膜盒的待检测面密封了一个标准大气压，这个密封压力是保持恒定的，与外界大气压的变化无关。
2、绝压传感器：是一种测量绝对压力值的压力传感器。一般以内部真空腔作为参考，测量的压力值和真空压相减后获得。 绝压传感器一般可以测量真空管道的压力，真空罐体的液位高度以及大气压等。绝压传感器的负腔与外界隔绝，绝压传感器的膜片 (正腔) 充硅油，通过隔离膜片、过程连接获得测量介质的压力，然后将获得的压力信号通过信号处理单元处理后由信号端子输出信号。
3、压差传感器：是一种用来测量两个压力之间差值的传感器，通常用于测量某一设备或部件前后两端的压差。
压力传感器按测量压力的原理和结构型式可分为应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式、光电式、光纤式、超声式等。
1、应变式压力传感器
应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。
如：应变片式压力传感器通过粘结在弹性元件上的应变片的阻值变化来测量压力值的。当被测压力传递到粘贴有电阻应变片的膜片、弹性梁或应变管后，使之产生变形，则由电阻应变片组成的电桥有不平衡电压输出，该电压与作用在压力传感器上的被测压力成正比。
2、压阻式压力传感器
压阻压力传感器主要基于压阻效应（Piezoresistive effect）制作而成测量压力的传感器。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。压阻压力传感器的敏感芯体受压后产生电阻变化，再通过放大电路将电阻的变化转换为标准电信号输出。压阻式测压芯体常有三类：
a、应变原理: 其结构是将压敏电阻以惠司通电桥形式与应变材料(通常为不锈钢)结合在一起；产品特点是过载能力、抗冲击压力强，灵敏度较低，适合于测量500kpa以上的高量程范围，最高可达500mpa。强度高，耐振动，不易损坏，温度漂移小，高量程(1mpa以上)线性很好。
b、陶瓷压阻原理: 其结构是将压敏电阻以惠司通电桥形式与陶瓷烧结在一起；产品特点是过载能力较应变原理较低，抗冲击压力较差，灵敏度较高，适合于测量50kpa以上的高量程范围，最高量程40mpa；耐腐蚀，温度范围较宽。
c、扩散硅硅原理：其结构是在硅片上注入粒子形成惠司通电桥形式的压敏电阻；产品特点是灵敏度很高，精度高，适合于测量1kpa～40mpa的范围，过压能力较强，抗冲击压力较好，温度漂移较大，分为带隔离膜片和非隔离膜片两类。非隔离膜片只能测干净的气体，隔离膜片为软性膜片，不适合测量粘稠的介质。
3、电容式压力传感器
电容式压力传感器是一种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、压电式压力传感器
压电式压力传感器大多是利用正压电效应制成的。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应又称电致伸缩效应，是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用于电声和超声工程的一般使用逆压电效应制造的变送器。
基于压电效应的压力传感器。它的种类和型号繁多，按弹性敏感元件和受力机构的形式可分为膜片式和活塞式两类。膜片式主要由本体、膜片和压电元件组成。压电元件支撑于本体上，由膜片将被测压力传递给压电元件，再由压电元件输出与被测压力成一定关系的电信号。这种传感器的特点是体积小、动态特性好、耐高温等。现代测量技术对传感器的性能提出越来越高的要求，例如用压力传感器测量绘制内燃机示功图，在测量中不允许用水冷却，并要求传感器能耐高温和体积小，压电材料最适合于研制这种压力传感器。
5、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和膜片。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。
6、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。理想霍尔元件的材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，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。
7、电涡流压力传感器
基于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产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成。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压力的检测。
8、振弦式压力传感器
振弦式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。
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的大小有关。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可以转换为4~20mA的电流信号。
9、MEMS压力传感器
MEMS压力传感器，就是测量压力的，主要分为电容式和电阻式。随着MEMS压力传感器的出现和普及，智能手机中用压力传感器也越来越多，主要用来测量大气压力。测量大气压的目的，是为了通过不同高度的气压，来计算海拔高度，同GPS定位信号配合，实现更为精确的三维定位，譬如爬楼高度、爬楼梯级数等都可以检测。
MEMS压力传感器的原理也非常简单，核心结构就是一层薄膜元件，受到压力时变形，形变会导致材料的电性能（电阻、电容）改变。因此可以利用压阻型应变仪来测量这种形变，进而计算受到的压力。下图是一种电容式MEMS压力传感器的结构图，当受到压力时，上下两个横隔(传感器横隔上部、传感器下部)之间的间距变化，导致隔板之间的电容变化，据此可以测算出压力大小。
下图是一种MEMS电阻式压力传感器的工作动图，由一个带有硅薄膜的底座和安装在其上的电阻结构组成，当外力施加时，电压与压力大小成比例变化产生测量值。
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