【入门传感器技术】压力传感器技术

更新说明：

20251017：首版

一、了解压力传感器

压力传感器是一种将压力信号转换成电信号的装置，用来测量气体或液体的压强。它在工业自动化、汽车电子、医疗设备、环境监测等领域都发挥着重要作用。下面我来为你详细解释其工作原理、应用及最新发展方向。压力传感器按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号（一般是mv为单位的电压信号）的器件或装置。

1、压力传感器的特点：防油、防水、耐腐蚀，可用于各种恶劣环境；高速动态响应、耐冲击，抗疲劳使用；

2、压力传感器在设备上的用途：贴装力的检测监控，保压力检测，目的是保护产品不受破坏，或压力控制的更准确。

3、压力传感器的工作原理：压力传感器内部做成悬臂梁结构，受一定大小的作用下，发生轻微的弹性变形；应变片贴在悬梁上，会随悬臂梁的变形，铜箔线被拉长，电阻变大；

二、压力传感器的工作原理

压力传感器的核心任务是将压力变化转换为可测量的电信号。这个过程主要依赖于压力敏感元件（如膜片）的物理形变，以及后续的信号转换和调理电路。

1. 压力感知与形变：传感器的压力敏感元件（通常是金属或半导体材料制成的膜片）在受到流体（气体或液体）压力作用时会发生微形变。

2. 转换电信号：这种形变会改变敏感元件的某些电特性，进而产生电信号的变化。根据转换原理的不同，主要有以下几种常见类型：

   • 压阻式：利用半导体材料的压阻效应。膜片的形变使其附着的应变片电阻值发生变化，通常通过惠斯通电桥电路检测这种电阻变化并转换为电压信号。
   • 电容式：压力使膜片与固定电极间的距离发生改变，从而引起电容变化，通过测量电容值来推算压力。
   • 压电式：某些特定材料（如石英晶体）在受到压力时会产生电荷，即压电效应。这种传感器能测量动态压力，但不适合静态压力测量。
   • 谐振式：压力变化改变谐振元件的固有频率，通过检测频率变化来测量压力。这种传感器精度较高。

3. 信号调理与输出：敏感元件产生的原始电信号通常比较微弱，需要经过放大、补偿（如温度补偿）、线性化等调理电路处理。最终，传感器输出标准的模拟信号（如4-20mA电流信号或0-5V电压信号）或数字信号。

三、压力传感器的核心分类​

​根据不同的划分维度，压力传感器可分为多个类别，核心分类如下：​

1. 按测试压力类型划分​：可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器，三类传感器分别对应不同的压力测量需求，是工业场景中最基础的分类方式。​
2. 按结构与探测原理划分​：这是最常见的细分维度，主要包括应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式等类型；此外还有光电式、光纤式、超声式等特殊原理的传感器。其中，压阻式和电容式是目前应用最广泛的两种，不仅适配场景多，且技术迭代速度最快，是行业创新的核心方向。​
3. 按信号产生方式划分​：可简单分为电压型和频率型，两类传感器的信号输出形式不同，需根据后端设备的适配需求选择。​

四、压力传感器的广泛应用场景​

目前，压力传感器已深度融入各类工业自控环境，覆盖水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多领域。随着人工智能与物联网技术的发展，其应用场景还在持续拓展，核心应用场景可聚焦以下三类：​

1. 工业控制领域​：压力传感技术是工业生产的 “感知核心”。例如，由其打造的电子称重系统，既能融入产品制造流程以优化生产效率、提升产品质量，又能实时采集生产过程中的物料流动数据，传输至数据处理中心实现智能化管控。​
2. 石化行业领域​：石化行业几乎涵盖了所有类型的压力传感器应用需求，无论是差压、绝压、表压等压力类型，还是高压、微差压、高温、低温等极端环境，甚至需要特殊材质或远传法兰式设计的定制化传感器，都能在该行业找到应用场景。​
3. 医疗领域​：在医疗市场中，压力传感器主要用于制作外科手术的一次性低成本导管，凭借小巧的体积和精准的感知能力，为手术操作提供关键的压力数据支持，保障医疗操作的安全性。

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五、常见常用的三大类型压力传感器：

1、应变片压力传感器原理与应用     

       力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

       在了解压阻式力传感器时，我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是A/D转换和CPU）显示或执行机构。

 2、陶瓷压力传感器原理及应用  

      陶瓷压力传感器是一种重要的设备，具有许多优秀的特性。首先，陶瓷材料本身就具有高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的特性，而且陶瓷还有着非常高的热稳定性。此外，陶瓷压力传感器采用的是无液体传递的方式，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使其产生微小的形变。这种形变通过厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥，产生一个高度线性、与压力成正比、与激励电压也成正比的电压信号。

此外，陶瓷压力传感器经过激光标定，具有很高的温度稳定性和时间稳定性。传感器还自带温度补偿0～70℃，可以与绝大多数介质直接接触。这些都是陶瓷压力传感器的重要优势。

陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料，这也使得陶瓷压力传感器在许多应用场景中表现出色。由于其高精度、高稳定性以及低价格等特性，陶瓷压力传感器在欧美国家正逐渐替代其他类型的传感器，在中国也越来越多的用户开始使用陶瓷压力传感器替代扩散硅压力传感器。

       总的来说，抗腐蚀的陶瓷压力传感器是未来压力传感器的发展方向，具有很高的市场前景和潜力。它不仅能够满足各种应用场景的需求，还能提供稳定的性能和优质的服务，将成为许多企业首选的压力传感器类型。

3、压电压力传感器原理与应用   

        压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。

       现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 

       压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。

       压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。

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六、直观地展示了压力传感器的主要工作过程：

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