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應變片壓力傳感器檢測原理及結構匯總
時間: 2024-06-29 10:29:16 瀏覽次數：
壓力傳感器是工業實踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應用于各種工業自控環境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業，下面就簡單介紹一些常用傳感器原理及其應用。
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉換和CPU)顯示或執行機構。
一、應變式壓力傳感器
1、應變管式
又稱應變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測系統連接。在筒壁上貼有2片或4片應變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力傳感器的結構簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態壓力測量方面有廣泛應用。
2、膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應變達到負的最大值，切向應變為零。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條，并采用周邊固定結構制成的固態壓力傳感器（見壓阻式傳感器）。
3、應變梁式
測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結構。一種方法是用膜片把壓力轉換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。圖3中兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點，應變片就貼在這些地方。這種結構還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構成。
4、組合式
在組合式應變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位，而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較復雜的應變管式和應變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據不同需要組合成多種型式。應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質動態或靜態壓力，例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。
二、應變式壓力傳感器的原理和機構
1、金屬電阻應變片的內部結構
電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
如上圖所示‚是電阻應變計結構示意圖‚它由基體材料‚金屬應變或應變片‚絕緣片和引出線等部分組成。根據用途不同‚電阻應變計電阻可以設計的設計師‚但電阻值范圍應注意：阻值太小‚需要驅動電流過大‚同時應變計‚散發出的熱量使自己高熱‚在不同的環境中使用‚使應變片阻值變化太大‚輸出零漂移明顯‚調零電路太復雜。但阻力太大‚阻抗太高‚抗外界電磁干擾的能力較差。一般為幾十歐姆到幾十kiloohms約。
2、電阻應變計的工作原理
金屬電阻應變計的工作原理是吸附應變電阻的阻值變化的現象‚在基體材料‚隨著機械變形‚命名為電阻應變效應。金屬導體電阻值可以使用類型指示‚
式中：盧-金屬導體電阻率（歐米茄平方厘米/米）
-導體截面積（平方厘米）
我指揮的長度（米）
我們用金屬箔應變電阻為例‚當浮華外力過程‚它的長度和橫截面積可以改變‚可以很容易的在公式看‚其電阻值即可以有變化‚如金屬絲細長的外生過程的時間‚其長度增加‚但橫截面積減少‚電阻值可增加。當液體壓縮外力過程‚長度減少而增加部分‚電阻值降低。只要確定了（通常是調查性開始和結束的電阻變化的電壓）‚進而得出應變金屬絲緊張情緒
3、電阻應變片的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率(Ω·cm2/m)
S——導體的截面積(cm2)
L——導體的長度(m)
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓)，即可獲得應變金屬絲的應變情況。
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。下面我們主要介紹這類傳感器。
在了解壓阻式力傳感器時，我們首先認識一下電阻應變片這種元件。電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件。它是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片應用最多的是金屬電阻應變片和半導體應變片兩種。金屬電阻應變片又有絲狀應變片和金屬箔狀應變片兩種。通常是將應變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產生力學應變基體上，當基體受力發生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發生改變，從而使加在電阻上的電壓發生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋，并通過后續的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路(通常是A/D轉換和CPU)顯示或執行機構。
一、應變式壓力傳感器
1、應變管式
又稱應變筒式。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒，其另一端帶有法蘭與被測系統連接。在筒壁上貼有2片或4片應變片，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應變片。當沒有壓力時4片應變片組成平衡的全橋式電路;當壓力作用于內腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉換為力傳遞到應變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力。應變管式壓力傳感器的結構簡單、制造方便、適用性強，在火箭彈、炮彈和火炮的動態壓力測量方面有廣泛應用。
2、膜片式
它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片。膜片受壓力變形時，中心處徑向應變和切向應變均達到正的最大值，而邊緣處徑向應變達到負的最大值，切向應變為零。因此常把兩個應變片分別貼在正負最大應變處，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用。采用圓形箔式應變計(見電阻應變計)則能最大限度地利用膜片的應變效果。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的最新產品是將彈性敏感元件和應變片的作用集于單晶硅膜片一身，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條，并采用周邊固定結構制成的固態壓力傳感器（見壓阻式傳感器）。
3、應變梁式
測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結構。一種方法是用膜片把壓力轉換為力再通過傳力桿傳遞給應變梁。圖3中兩端固定梁的最大應變處在梁的兩端和中點，應變片就貼在這些地方。這種結構還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構成。
4、組合式
在組合式應變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應變元件。感受元件把壓力轉換為力傳遞到彈性應變元件應變最敏感的部位，而應變片則貼在彈性應變元件的最大應變處。實際上較復雜的應變管式和應變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、環形梁、薄壁筒等。它們之間可根據不同需要組合成多種型式。應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質動態或靜態壓力，例如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、內燃機管道壓力等等。
二、應變式壓力傳感器的原理和機構
1、金屬電阻應變片的內部結構
電阻應變片由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等部分組成。根據不同的用途，電阻應變片的阻值可以由設計者設計，但電阻的取值范圍應注意：阻值太小，所需的驅動電流太大，同時應變片的發熱致使本身的溫度過高，不同的環境中使用，使應變片的阻值變化太大，輸出零點漂移明顯，調零電路過于復雜。而電阻太大，阻抗太高，抗外界的電磁干擾能力較差。一般均為幾十歐至幾十千歐左右。
如上圖所示‚是電阻應變計結構示意圖‚它由基體材料‚金屬應變或應變片‚絕緣片和引出線等部分組成。根據用途不同‚電阻應變計電阻可以設計的設計師‚但電阻值范圍應注意：阻值太小‚需要驅動電流過大‚同時應變計‚散發出的熱量使自己高熱‚在不同的環境中使用‚使應變片阻值變化太大‚輸出零漂移明顯‚調零電路太復雜。但阻力太大‚阻抗太高‚抗外界電磁干擾的能力較差。一般為幾十歐姆到幾十kiloohms約。
2、電阻應變計的工作原理
金屬電阻應變計的工作原理是吸附應變電阻的阻值變化的現象‚在基體材料‚隨著機械變形‚命名為電阻應變效應。金屬導體電阻值可以使用類型指示‚
式中：盧-金屬導體電阻率（歐米茄平方厘米/米）
-導體截面積（平方厘米）
我指揮的長度（米）
我們用金屬箔應變電阻為例‚當浮華外力過程‚它的長度和橫截面積可以改變‚可以很容易的在公式看‚其電阻值即可以有變化‚如金屬絲細長的外生過程的時間‚其長度增加‚但橫截面積減少‚電阻值可增加。當液體壓縮外力過程‚長度減少而增加部分‚電阻值降低。只要確定了（通常是調查性開始和結束的電阻變化的電壓）‚進而得出應變金屬絲緊張情緒
3、電阻應變片的工作原理
金屬電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。金屬導體的電阻值可用下式表示：
式中：ρ——金屬導體的電阻率(Ω·cm2/m)
S——導體的截面積(cm2)
L——導體的長度(m)
我們以金屬絲應變電阻為例，當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發生變化，從上式中可很容易看出，其電阻值即會發生改變，假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻的變化(通常是測量電阻兩端的電壓)，即可獲得應變金屬絲的應變情況。
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