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。

进气歧管压力传感器的结构、工作原理与检测方法

进气歧管压力传感器的作用

进气歧管压力传感器（也称进气压力传感器或MAP ）用在D型汽油喷射系中，根据发动机的负荷测出进气歧管内压力的变化，并通过电路的连接转化为电信号和转速信号一起输入给ECU，作为确定喷油器喷油量的基本依据 。

进气歧管压力传感器的安装位置

进气歧管压力传感器大多安装在汽车发动机的进气歧管上，也有少部分安装在汽车发动机ECU的控制盒内或发动机的驾驶室内。

进气压力传感器的种类较多，按其信号的产生原理可以分为电压型和频率型两种。电压型又可分为半导体压敏电阻式（电阻应变计式）和膜盒传动可变电感式；频率型的可分为电容式和表面弹性波式。其中以半导体压敏电阻式应用最多。

半导体压敏电阻式进气压力传感器的结构

半导体压敏电阻式进气压力传感器是利用半导体的压阻效应的原理制成的，主要由硅膜片、真空室、硅杯、底座、真空管接头和引线电极组成。其内部结构如下图所示。

硅膜片是用单晶硅制成的压力转换元件，其长和宽各为3mm，厚度为160μm。硅膜片的中心部位用腐蚀方法制作了一个直径为2mm、厚度为50μm的薄膜片。薄膜片表面的圆周上，采用集成电路加工和台面扩散技术制作了4只阻值相等的应变电阻，如下图（a）所示，并将4只电阻连接成惠斯顿电桥电路，如下图（b）所示，然后再与传感器内部的温度补偿电阻和信号放大电路等混合集成电路连接。

半导体压敏电阻式进气压力传感器的工作原理

半导体压敏电阻的工作原理如下图所示。硅膜片一面通真空室，一面承受来自进气歧管中气体的压力，在此气体压力的作用下，硅膜片会产生变形，且压力越大形变越大，膜片中应变电阻的阻值在此压力的作用下就会发生变化，使传感器上以惠斯顿电桥方式连接的硅膜片应变电阻的平衡被打破，当电桥的输入端输入一定的电压或电流时，在电桥的输出端便可得到相应变化的信号电压或信号电流。因为此信号比较微弱，故采用了混合集成电路进行放大后输入给ECU。

由于压阻效应式进气歧管压力传感器的功能部件是硅膜片和应变电阻，其工作参数取决于作用于膜片上的压力大小，因此传感器的取样压力应从压力波动较小的部位选取。

半导体压敏电阻式进气压力传感器的检测

半导体压敏电阻式进气压力传感器由于其体积小，精度高，响应性、再现性和抗振性较好，稳定性较好，不易损坏，因此应用较广泛。如果它出现故障，会导致发动机怠速不良、启动不易和启动后熄火等现象。

如果车辆在运行过程中出现上述现象，则应对此传感器及相关电路和元件进行检测，检测方法如下。

（1）检测ECU的供电电压

拔下传感器的连接器插头，接通点火开关（但不启动发动机），用万用表测量连接器插头电源端和接地之间的电压（电路中的UC与E2端子，如上图所示），正常值应在4～6V 之间。如果无电压，应检测ECU相应端子间的电压。如果相应端子间的电压正常，则是传感器与ECU间连接线路发生故障；如果ECU相应端子间无电压，则是ECU发生故障。

（2）检测进气压力传感器的输出电压

拔下进气压力传感器与进气歧管连接的真空软管，打开点火开关（不启动发动机），用电压表测量进气压力传感器的输出电压（电路中的PIM端子与E2端子）。接着向进气压力传感器内施加真空，并测量在不同真空度下的输出电压。该电压值应随真空度的增大而降低， 其变化情况应符合规定，否则应更换进气压力传感器。

真空膜盒式进气压力传感器的检测

真空膜盒式进气压力传感器的常见故障是真空软管连接不牢、破裂以及感应线圈断、短路等。检测时应注意，这种进气压力传感器是用12V电源工作，所以检测时不要拔下电源线插头。

（1）检查电源电压

关闭点火开关，拔下传感器连接器插头，在电源线插头一侧接万用表，打开点火开关，电压表应显示12V，否则应检查电源线是否存在断、短路。

（2）检查输出信号电压

连接好传感器插头，打开点火开关，将万用表红表笔与信号端子接触，将黑表笔搭铁。在真空软管上加大气压时，信号电压应为1.5V；对真空软管吸气时，电压应从1.5V慢慢减小；发动机怠速时，电压应为0.4V。当发动机转速升高时，输出电压值也升高。否则说明传感器或相关线路出现故障，应进行更换。

电容式进气压力传感器的检测

电容式进气压力传感器在汽车上的应用还不是很普遍，只有福特等少数轿车的D型喷射发动机上使用。如果电容式进气压力传感器或其连接电路发生故障，也可从电源电压、信号电压、传感器与电源间连接线束的导通性去检测，具体的车型需参考各自的参数标准值。同时也可用汽车专用万用表对此进气压力传感器进行频率测试。

测试方法是：

打开点火开关，但不启动发动机，进气压力传感器输出信号的频率约为160Hz；减速时频率为80Hz左右；怠速时频率为105Hz左右。若进气压力输出信号消失或者超出规定标准值（频率小于80Hz或大于160Hz），则说明此传感器已失效，应进行检修或更换。

进气压力传感器故障码分析

汽车维修技术与知识

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