壓力傳感器是壓力檢測(cè)系統(tǒng)中的重要組成部分,由各種壓力敏感元件將被測(cè)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成容易測(cè)量的電信號(hào)作輸出,給顯示儀表顯示壓力值,或供控制和報(bào)警使用。

　　壓力傳感器的種類(lèi)繁多，如壓阻式壓力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、壓磁式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及差動(dòng)變壓器式壓力傳感器，光纖壓力傳感器等。

一、壓阻式壓力傳感器：

    固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時(shí)，膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。

　　壓阻式具有極低的價(jià)格和較高的精度以及較好的線性特性。

1、壓阻式壓力傳感器基本介紹：

　　壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型：一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式應(yīng)變片，稱(chēng)為半導(dǎo)體應(yīng)變片，因此應(yīng)變片制成的傳感器稱(chēng)為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，另一種是在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，以此擴(kuò)散電阻的傳感器稱(chēng)為擴(kuò)散型壓阻傳感器。

　　半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器   半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)形式基本上與電阻應(yīng)變片傳感器相同，也是由彈性敏感元件等三部分組成，所不同的是應(yīng)變片的敏感柵是用半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬應(yīng)變片相比，zui突出的優(yōu)點(diǎn)是它的體積小而靈敏高。它的靈敏系數(shù)比后者要大幾十倍甚至上百倍，輸出信號(hào)有時(shí)不必放大即可直接進(jìn)行測(cè)量記錄。此外，半導(dǎo)體應(yīng)變片橫向效應(yīng)非常小，蠕變和滯后也小，頻率響應(yīng)范圍亦很寬，從靜態(tài)應(yīng)變至高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變都能測(cè)量。由于半導(dǎo)體集成化制造工藝的發(fā)展，用此技術(shù)與半導(dǎo)體應(yīng)變片相結(jié)合，可以直接制成各種小型和超小型半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，使測(cè)量系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。但是半導(dǎo)體應(yīng)變片也存在著很大的缺點(diǎn)，它的電阻溫度系統(tǒng)要比金屬電阻變化大一個(gè)數(shù)量級(jí)，靈敏系數(shù)隨溫度變化較大它的應(yīng)變—電阻特性曲線性較大，它的電阻值和靈敏系數(shù)分散性較大，不利于選配組合電橋等等。

　　擴(kuò)散型壓阻式傳感器   擴(kuò)散型壓阻傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。單晶硅是各向異性材料，取向不同時(shí)特性不一樣。因此必須根據(jù)傳感器受力變形情況來(lái)加工制作擴(kuò)散硅敏感電阻膜片。

　　利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可設(shè)計(jì)成多種類(lèi)型傳感器，其中壓力傳感器和加速度傳感器為壓阻式傳感器的基本型式。

　　硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。硅膜片是核心部分，其外形狀象杯故名硅杯，在硅膜上，用半導(dǎo)體工藝中的擴(kuò)散摻雜法做成四個(gè)相等的電阻，經(jīng)蒸鍍金屬電極及連線，接成惠斯登電橋再用壓焊法與外引線相連。膜片的一側(cè)是和被測(cè)系數(shù)相連接的高壓腔，另一側(cè)是低壓腔，通常和大氣相連，也有做成真空的。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片發(fā)生變形，產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，從而使擴(kuò)散電阻的電阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相對(duì)應(yīng)的電壓，其大小就反映了膜片所受壓力差值。

2、壓阻式壓力傳感器特點(diǎn)

　　壓阻式壓力傳感器的特點(diǎn)是：靈敏度高，頻率響應(yīng)高；測(cè)量范圍寬，可測(cè)低至10Pa的微壓到高至60Mpa的高壓；精度高，工作可靠，其精度可達(dá)±0.2％～0.02％；易于微小型化，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出直徑φ1.8～2mm的壓阻式壓力傳感器。目前，應(yīng)用的壓力傳感器是壓阻式壓力傳感。

3、壓阻式壓力傳感器測(cè)量方法

　　硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測(cè)量電路，相對(duì)的橋臂電阻對(duì)稱(chēng)布置，電阻變化時(shí)，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　如圖4的壓力測(cè)量放大電路中，R1~R4由壓敏電阻構(gòu)成的直流電橋，無(wú)力作用時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)RP使直流橋輸出電壓為0。R5、R6為限流電阻。通過(guò)改變R7值可以改變放大倍數(shù)。輸出電壓信號(hào)如果要作為數(shù)字信號(hào)處理，則后續(xù)電路可接A/D轉(zhuǎn)換電路。

4、典型壓阻式壓力傳感器型號(hào)及應(yīng)用

二、應(yīng)變式壓力傳感器
     應(yīng)變式壓力傳感器是把壓力的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，應(yīng)變片是由金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體制成的電阻體，其阻值隨壓力所產(chǎn)生的應(yīng)變而變化。

1、應(yīng)變式壓力傳感器分類(lèi)介紹

　　應(yīng)變計(jì)中應(yīng)用zui多的是粘貼式應(yīng)變計(jì)(即應(yīng)變片)。它的主要缺點(diǎn)是輸出信號(hào)小、線性范圍窄,而且動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì))。但由于應(yīng)變片的體積小,商品化的應(yīng)變片有多種規(guī)格可供選擇，而且可以靈活設(shè)計(jì)彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式、應(yīng)變梁式、組合式四種。
　　 ①應(yīng)變管式 　又稱(chēng)應(yīng)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(cè)系統(tǒng)連接(圖1)。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片，其中一半貼在實(shí)心部分作為溫度補(bǔ)償片,另一半作為測(cè)量應(yīng)變片。當(dāng)沒(méi)有壓力時(shí) 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時(shí),圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過(guò)垂鏈形狀的膜片傳遞被測(cè)壓力。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、適用性強(qiáng)，在火箭彈、炮彈和火炮的動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用。  

　?、谀て?　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(shí)，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達(dá)到正的zui大值，而邊緣處徑向應(yīng)變達(dá)到負(fù)的zui大值，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€(gè)應(yīng)變片分別貼在正負(fù)zui大應(yīng)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(bǔ)償作用。采用圓形箔式應(yīng)變計(jì)(見(jiàn)電阻應(yīng)變計(jì))則能zui大限度地利用膜片的應(yīng)變效果（圖2）。這種傳感器的非線性較顯著。膜片式壓力傳感器的產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)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(kuò)散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見(jiàn)壓阻式傳感器）。

③應(yīng)變梁式 　測(cè)量較小壓力時(shí)，可采用固定梁或等強(qiáng)度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過(guò)傳力桿傳遞給應(yīng)變梁。圖3中兩端固定梁的zui大應(yīng)變處在梁的兩端和中點(diǎn)，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成。

④組合式 　在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變?cè)?。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變?cè)?yīng)變zui敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變?cè)膠ui大應(yīng)變處。實(shí)際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)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(yīng)變?cè)袘冶哿?、固定梁?Pi;形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。

2、應(yīng)變片使用方法

通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時(shí)產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過(guò)后續(xù)的儀表放大器進(jìn)行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)換和cpu）顯示或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

常用的力測(cè)量方法是用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測(cè)量構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力、力之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的受力狀態(tài)。

應(yīng)變儀采用交流電橋時(shí)，輸出特性與直流電橋(直流電橋的輸出特性)類(lèi)似。應(yīng)變片的布置和電橋組接（簡(jiǎn)稱(chēng)布片組橋）應(yīng)根據(jù)被測(cè)量和被測(cè)對(duì)象受力分布來(lái)確定。還應(yīng)利用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響。

測(cè)量拉伸(壓縮)應(yīng)變時(shí)要采用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式，以便達(dá)到溫度補(bǔ)償(測(cè)軸向拉(壓)時(shí)的溫度補(bǔ)償)、消除彎矩影響(用雙工作片消除溫度的影響)和提高測(cè)量靈敏度(用四工作片提高測(cè)量的靈敏度)的目的。

常用應(yīng)力測(cè)量的布片和組橋方式: 當(dāng)試件受到彎矩作用時(shí)，其上、下表面會(huì)分別產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變?？赏ㄟ^(guò)應(yīng)變測(cè)量求得彎矩，布片接橋時(shí)要注意利用電橋特性，在輸出中保留彎應(yīng)變的影響，消除軸向拉、壓力產(chǎn)生的應(yīng)變成分。

3、典型應(yīng)變式壓力傳感器

三、壓電式壓力傳感器

某些電介質(zhì)沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形(壓縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱(chēng)為“壓電效應(yīng)”。 壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)。

1、壓電壓力傳感器的基本介紹

常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類(lèi)，它們的壓電機(jī)理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機(jī)械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。

壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：

Q=kSp

式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過(guò)測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。

圖3.1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過(guò)引線將電荷量引出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸出信號(hào)與被測(cè)壓力值相對(duì)應(yīng)。 
    除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。

更換壓電元件可以改變壓力的測(cè)量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。

2、壓電壓力傳感器的基本特點(diǎn)
     壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠；測(cè)量范圍寬，可測(cè)100MPa以下的壓力；測(cè)量精度較高；頻率響應(yīng)高，可達(dá)30kHz，是動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)中常用的傳感器，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測(cè)量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力

壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量，因?yàn)榻?jīng)過(guò)外力作用后的電荷，只有在回路具有無(wú)限大的輸入阻抗時(shí)才得到保存。實(shí)際的情況不是這樣的，所以這決定了壓電傳感器只能夠測(cè)量動(dòng)態(tài)的應(yīng)力。 
     壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測(cè)量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計(jì)。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異的特點(diǎn)。壓電式加速度傳感器在飛機(jī)、汽車(chē)、船舶、橋梁和建筑的振動(dòng)和沖擊測(cè)量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。
    壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中，比如說(shuō)心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的，因?yàn)闇y(cè)量動(dòng)態(tài)壓力是如此普遍，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛。

3、壓電壓力傳感器測(cè)量電路

由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。

 前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。

4、典型壓電壓力傳感器型號(hào)

四、電容式壓力傳感器

電容式壓力傳感器采用變電容測(cè)量原理，將由被測(cè)壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?，用測(cè)量電容的方法測(cè)出電容量，便可知道被測(cè)壓力的大小。

1、電容式壓力傳感器基本介紹

根據(jù)平行板電容器的電容量表達(dá)式

C=εA/d (3-9)

式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)；A為兩平行板相對(duì)面積；d為兩平行板間距。

由上式可知，改變A、d、其中任意一個(gè)參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化，在實(shí)際測(cè)量中，大多采用保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變A或d一個(gè)參數(shù)的方法，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此，電容量的變化與被測(cè)參數(shù)的大小成比例。

①差動(dòng)變極距式電容壓力傳感器

改變電容兩平行板間距d的測(cè)量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時(shí)非線性嚴(yán)重。采用差動(dòng)電容法可以改善非線性、提高靈敏度、并可減小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。 

圖3-12是一種電容式差壓傳感器示意圖。左右對(duì)稱(chēng)的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動(dòng)測(cè)量電極，左、右固定電極和測(cè)量電極經(jīng)導(dǎo)線引出，從而組成了兩個(gè)電容器。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開(kāi)有小孔，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測(cè)量電極將空間分隔成左、右兩個(gè)腔室，其中充滿(mǎn)硅油。當(dāng)隔離膜片感受兩側(cè)壓力的作用時(shí)，通過(guò)硅油將差壓傳遞到彈性測(cè)量膜片的兩側(cè)從而使膜片產(chǎn)生位移。電容極板間距離的變化，將引起兩側(cè)電容器電容值的改變。

對(duì)于差動(dòng)平板電容器，其電容變化與板間距離變化的關(guān)系可表示為：

C0=△d/d0 (3-10)

式中 C0為初始電容值；d0為極板間初始距離；△d為距離變化量。

此電容量的變化經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，可以轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)差壓的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。

這種傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，靈敏度高，過(guò)載能力大；精度高，其度可達(dá)±0.25％～±0.05％；可以測(cè)量壓力和差壓。

②變面積式電容壓力傳感器

下圖所示為一種變面積式電容壓力傳感器。被測(cè)壓力作用在金屬膜片上，通過(guò)中心柱和支撐簧片，使可動(dòng)電極隨簧片中心位移而動(dòng)作。可動(dòng)電極與固定電極均是金屬同心多層圓筒，斷面呈梳齒形，其電容量由兩電極交錯(cuò)重疊部分的面積所決定。固定電極與外殼之間絕緣，可動(dòng)電極則與外殼導(dǎo)通。壓力引起的極間電容變化由中心柱引至適當(dāng)?shù)淖儞Q器電路，轉(zhuǎn)換成反映被測(cè)壓力的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸出。

金屬膜片為不銹鋼材質(zhì)，膜片后設(shè)有帶波紋面的擋塊，限制膜片過(guò)大變形，以保護(hù)膜片在過(guò)載時(shí)不至于損壞。膜片中心位移不超過(guò)0.3mm，膜片背面為無(wú)硅油的封閉空間，不與被測(cè)介質(zhì)接觸，可視為恒定的大氣壓，故僅適用于壓力測(cè)量，而不能測(cè)量壓差。

其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但是由于電荷泄漏難于避免，不適宜靜態(tài)力的測(cè)量 (電容式力傳感器的結(jié)構(gòu)原理)。

前面章節(jié)介紹過(guò)壓電式傳感器的原理和壓電式振動(dòng)加速度傳感器，測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)似。其特點(diǎn)是體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，但是也存在電荷泄漏，不適宜靜態(tài)力的測(cè)量。使用中應(yīng)防止承受橫向力和施加予緊力。

電容式壓力傳感器

在矩形的特殊彈性元件上，加工若干個(gè)貫通的圓孔，每個(gè)圓孔內(nèi)固定兩個(gè)端面平行的丁字形電極，每個(gè)電極上貼有銅箔，構(gòu)成由多個(gè)平行板電容器并聯(lián)組成的測(cè)量電路。在力F作用下，彈性元件變形使極板間矩發(fā)生變化，從而改變電容量，如左圖(電容式力傳感器)所示。

利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)系的電量輸出的壓力傳感器。它一般采用圓形金屬薄膜或鍍金屬薄膜作為電容器的一個(gè)電極，當(dāng)薄膜感受壓力而變形時(shí)，薄膜與固定電極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電路即可輸出與電壓成一定關(guān)系的電信號(hào)。電容式壓力傳感器屬于極距變化型電容式傳感器，可分為單電容式壓力傳感器和差動(dòng)電容式壓力傳感器。 
　　單電容式壓力傳感器 　它由圓形薄膜與固定電極構(gòu)成。薄膜在壓力的作用下變形，從而改變電容器的容量，其靈敏度大致與薄膜的面積和壓力成正比而與薄膜的張力和薄膜到固定電極的距離成反比。另一種型式的固定電極取凹形球面狀，膜片為周邊固定的張緊平面，膜片可用塑料鍍金屬層的方法制成（圖1）。這種型式適于測(cè)量低壓，并有較高過(guò)載能力。還可以采用帶活塞動(dòng)極膜片制成測(cè)量高壓的單電容式壓力傳感器。這種型式可減小膜片的直接受壓面積，以便采用較薄的膜片提高靈敏度。它還與各種補(bǔ)償和保護(hù)部以及放大電路整體封裝在一起，以便提高抗干擾能力。這種傳感器適于測(cè)量動(dòng)態(tài)高壓和對(duì)飛行器進(jìn)行遙測(cè)。單電容式壓力傳感器還有傳聲器式（即話筒式）和聽(tīng)診器式等型式。 
     差動(dòng)電容式壓力傳感器 　它的受壓膜片電極位于兩個(gè)固定電極之間,構(gòu)成兩個(gè)電容器（圖2）。在壓力的作用下一個(gè)電容器的容量增大而另一個(gè)則相應(yīng)減小，測(cè)量結(jié)果由差動(dòng)式電路輸出。它的固定電極是在凹曲的玻璃表面上鍍金屬層而制成。過(guò)載時(shí)膜片受到凹面的保護(hù)而不致破裂。差動(dòng)電容式壓力傳感器比單電容式的靈敏度高、線性度好，但加工較困難（特別是難以保證對(duì)稱(chēng)性），而且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體或液體的隔離，因此不宜于工作在有腐蝕性或雜質(zhì)的流體中。

五、壓磁式壓力傳感器

壓磁式壓力傳感器的原理，某些鐵磁材料受到外力作用時(shí)，引起導(dǎo)磁率變化現(xiàn)象，稱(chēng)作壓磁效應(yīng)。其逆效應(yīng)稱(chēng)作磁致伸縮效應(yīng)。硅鋼受壓縮時(shí)，其導(dǎo)磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿應(yīng)力的垂向增加；在受拉伸時(shí)，導(dǎo)磁率變化正好相反。如果在硅鋼疊片上開(kāi)有4個(gè)對(duì)稱(chēng)的通孔，孔中分別繞有互相垂直的兩個(gè)線圈，如左圖(圖壓磁元件工作原理)所示，一個(gè)線圈為勵(lì)磁繞組，另一個(gè)為測(cè)量繞組。無(wú)外力作用時(shí)，磁力線不和測(cè)量繞組交鏈，測(cè)量繞組不產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)受外力作用時(shí)，磁力線分布發(fā)生變化，部份磁力線和測(cè)量繞組交鏈，并在繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，且作用力愈大，感應(yīng)電勢(shì)愈大。壓磁式壓力傳感器的典型代表是壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器。

5.1 壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器原理。

鐵磁材料制成的轉(zhuǎn)軸，具有壓磁效應(yīng)，在受轉(zhuǎn)矩作用后，沿拉應(yīng)力+ 方向磁阻減小，沿壓應(yīng)力- 方向磁阻增大。在轉(zhuǎn)軸附近相互垂直放置兩個(gè)鐵芯線圈A、B，使其開(kāi)口端與被測(cè)轉(zhuǎn)軸保持1～2mm的間隙，從而由導(dǎo)磁的軸將磁路閉合，如下圖所示，AA沿軸向，BB垂直于軸向。在鐵芯線圈A中通以50 Hz的交流電，形成交變磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)軸未受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其各向磁阻相同，BB方向正好處于磁力線的等位中心線上，因而鐵芯B上的繞組不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩作用時(shí)，其表面上出現(xiàn)各向異性磁阻特性，磁力線將重新分布，而不再對(duì)稱(chēng)，因此在鐵芯B的線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。轉(zhuǎn)矩愈大，感應(yīng)電勢(shì)愈大，在一定范圍內(nèi)， 感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)矩成線性關(guān)系。這樣就可通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電勢(shì)e來(lái)測(cè)定軸上轉(zhuǎn)矩的大小。

壓磁式轉(zhuǎn)矩傳感器是非接觸測(cè)量，使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，基本上不受溫度影響和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速限制，而且輸出電壓很高(可達(dá)10V)。

測(cè)量力時(shí)可以直接在被測(cè)對(duì)象上布片組橋，也可以在彈性元件上布片組橋，使力通過(guò)彈性元件傳到應(yīng)變片。常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻等多種形式。

        , ①柱式彈性元件   通過(guò)柱式彈性元件表面的拉(壓)變形測(cè)力。應(yīng)變片的粘貼和電橋的連接應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對(duì)稱(chēng)地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部。柱式力傳感器可以測(cè)量0.1~3000噸的載荷，常用于大型軋鋼設(shè)備的軋制力測(cè)量。

        ②梁式彈性元件   類(lèi)型有等截面梁、等強(qiáng)度梁和雙端固定梁等，通過(guò)梁的彎曲變形測(cè)力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度較高。

        ③環(huán)式彈性元件  分為圓環(huán)式和八角環(huán)式。它也是通過(guò)元件的彎曲變形測(cè)力，結(jié)構(gòu)較緊湊。實(shí)際應(yīng)用如切削測(cè)力儀。

        ④輪輻式彈性元件  輪幅式彈性元件受力狀態(tài)可分為拉壓、彎曲和剪切。前兩類(lèi)測(cè)力彈性元件經(jīng)常采用，精度和穩(wěn)定性已達(dá)到一定水平，但是安裝條件變化或受力點(diǎn)移動(dòng)，會(huì)引起難于估計(jì)的誤差。剪切受力的彈性元件具有對(duì)加載方式不敏感、抗偏載、側(cè)向穩(wěn)定、外形矮等特點(diǎn)。

其特點(diǎn)是硅鋼材料受力面加大后，可以測(cè)量數(shù)千噸的力，且輸出電勢(shì)較大，甚至只需濾波整流，無(wú)需放大處理。常用于大型軋鋼機(jī)的軋制力測(cè)量。使用中應(yīng)防止因側(cè)向力干擾而破壞硅鋼的疊片結(jié)構(gòu)(壓磁式測(cè)力裝置的工作原理)。

六、差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器

把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感量變化的傳感器稱(chēng)為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的, 并且次級(jí)繞組都用差動(dòng)形式連接, 故稱(chēng)差動(dòng)變壓器式傳感器。

1、差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器基本介紹

差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式較多, 有變隙式、變面積式和螺線管式等, 但其工作原理基本一樣。非電量測(cè)量中, 應(yīng)用zui多的是螺線管式差動(dòng)變壓器, 它可以測(cè)量1～100mm范圍內(nèi)的機(jī)械位移, 并具有測(cè)量精度高, 靈敏度高, 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2、差動(dòng)變壓器式傳感器測(cè)量電路  

差動(dòng)變壓器輸出的是交流電壓, 若用交流電壓表測(cè)量, 只能反映銜鐵位移的大小, 而不能反映移動(dòng)方向。另外, 其測(cè)量值中將包含零點(diǎn)殘余電壓。為了達(dá)到能辨別移動(dòng)方向及消除零點(diǎn)殘余電壓的目的, 實(shí)際測(cè)量時(shí), 常常采用差動(dòng)整流電路和相敏檢波電路。 

2.1. 差動(dòng)整流電路

這種電路是把差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)輸出電壓分別整流, 然后將整流的電壓或電流的差值作為輸出, 圖 6.1 給出了幾種典型電路形式。 圖中（a）、（c）適用于交流負(fù)載阻抗, （b）、（d）適用于低負(fù)載阻抗, 電阻R0用于調(diào)整零點(diǎn)殘余電壓。 

    下面結(jié)合圖 6.1（c）, 分析差動(dòng)整流工作原理。

     從圖6.1（c）電路結(jié)構(gòu)可知, 不論兩個(gè)次級(jí)線圈的輸出瞬時(shí)電壓極性如何, 流經(jīng)電容C1的電流方向總是從 2 到 4, 流經(jīng)電容C2的電流方向從6到8, 故整流電路的輸出電壓為

U2=U24-U68(4 - 28)

當(dāng)銜鐵在零位時(shí), 因?yàn)閁24=U68 , 所以U2=0; 當(dāng)銜鐵在零位以上時(shí), 因?yàn)閁24>U68, 則U2>0; 而當(dāng)銜鐵在零位以下時(shí), 則有U24則U2<0 。差動(dòng)整流電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 不需要考慮相位調(diào)整和零點(diǎn)殘余電壓的影響, 分布電容影響小和便于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn), 因而獲得廣泛應(yīng)用。

2.2相敏檢波電路

電路如圖6.2（c） 所示。VD1、VD2、VD3、 VD4 為四個(gè)性能相同的二極管, 以同一方向串聯(lián)成一個(gè)閉合回路, 形成環(huán)形電橋。 輸入信號(hào)u2(差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過(guò)變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個(gè)對(duì)角線。 參考信號(hào)u0通過(guò)變壓器T2加入環(huán)形電橋的另一個(gè)對(duì)角線。 輸出信號(hào)uL從變壓器Ｔ1與Ｔ2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用, 避免二極管導(dǎo)通時(shí)變壓器T2的次級(jí)電流過(guò)大。RL為負(fù)載電阻。u0的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號(hào)u2的幅值, 以便有效控制四個(gè)二極管的導(dǎo)通狀態(tài), 且u0和差動(dòng)變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻、同相（或反相）。

由圖 6.2（a）、（c）、 (d)可知, 當(dāng)位移Δx > 0時(shí), u2與u0同頻同相, 當(dāng)位移Δx< 0時(shí), u2與u0 同頻反相；Δx> 0時(shí), u2與u0為同頻同相, 當(dāng)u2與u0均為正半周時(shí), 見(jiàn)圖 4 - 15（a）, 環(huán)形電橋中二極管VD1、ＶD4截止, VD2、VD3導(dǎo)通, 則可得圖 4 -  15（b）的等效電路。

其特點(diǎn)是工作溫度范圍較寬,為了減小橫向力或偏心力的影響，傳感器的高徑比應(yīng)較小。(差動(dòng)變壓器式測(cè)力傳感器的工作原理)

3、典型差動(dòng)變壓器式傳感器型號(hào)

七、諧振式壓力傳感器 

諧振式壓力傳感器分為兩類(lèi)：振筒式諧振壓力傳感器和振膜式諧振壓力傳感器。

1、振筒式諧振壓力傳感器

振筒式壓力傳感器的感壓元件是一個(gè)薄壁金屬圓筒，圓柱筒本身具有一定的固有頻率，當(dāng)筒壁受壓張緊后，其剛度發(fā)生變化，固有頻率相應(yīng)改變。

傳感器由振筒組件和激振電路組成，如圖3-14所示。振筒用低溫度系數(shù)的恒彈性材料制成，一端封閉為自由端，開(kāi)口端固定在基座上，壓力由內(nèi)側(cè)引入。絕緣支架上固定著激振線圈和檢測(cè)線圈，二者空間位置互相垂直，以減小電磁耦合。激振線圈使振筒按固有的頻率振動(dòng)，受壓前后的頻率變化可由檢測(cè)線圈檢出。

此種儀表體積小，輸出頻率信號(hào)，重復(fù)性好，耐振；度高，其度為±0.1％和±0.01％；適用于氣體測(cè)量。

2、振膜式諧振壓力傳感器

振膜式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖(a)所示。振膜為一個(gè)平膜片，且與環(huán)形殼體做成整體結(jié)構(gòu)，它和基座構(gòu)成密封的壓力測(cè)量室，被測(cè)壓力 p經(jīng)過(guò)導(dǎo)壓管進(jìn)入壓力測(cè)量室內(nèi)。參考?jí)毫κ铱梢酝ù髿庥糜跍y(cè)量表壓，也可以抽成真空測(cè)量絕壓。裝于基座頂部的電磁線圈作為激振源給膜片提供激振力，當(dāng)激振頻率與膜片固有頻率一致時(shí)，膜片產(chǎn)生諧振。沒(méi)有壓力時(shí)，膜片是平的，其諧振頻率為 f0；當(dāng)有壓力作用時(shí)，膜片受力變形，其張緊力增加，則相應(yīng)的諧振頻率也隨之增加，頻率隨壓力變化且為單值函數(shù)關(guān)系。 

     在膜片上粘貼有應(yīng)變片，它可以輸出一個(gè)與諧振頻率相同的信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)放大器放大后，再反饋給激振線圈以維持膜片的連續(xù)振動(dòng)，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。如圖(b)所示。

八、光導(dǎo)纖維壓力傳感器

光導(dǎo)纖維壓力傳感器與傳統(tǒng)壓力傳感器相比,有其*的優(yōu)點(diǎn):利用光波傳導(dǎo)壓力信息,不受電磁干擾,電氣絕緣好,耐腐蝕,無(wú)電火花,可以在高壓、易燃易爆的環(huán)境中測(cè)量壓力、流量、液位等。它靈敏高度，體積小，可撓性好，可插入狹窄的空間是進(jìn)行測(cè)量，因此而得到重視，并且得到迅速發(fā)展。