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压力传感器原理与应用知识简介

一、压力相关概念

压力：流体介质垂直作用于单位面积上的力称为“压强”，在工程技术

上一般称它为“压力”，其法定计量单位为帕斯卡，简称帕（符号为

Pa）。

1、绝压：以绝对真空（零压）为基准来表示的压力（PA）。

2、差压：两处的压力差值（PD=P1-P2）

表压：以实际大气压为基准来表示的压力（PG）。当P2为大气压时，

PG等于PD。

密封压：以标准大气压为基准来表示的压力（PS）。当实际大气压等于

标准大气压时，密封压等于表压，所以密封压是表压的一个特例。

负压：小于实际大气压时的表压力（也叫真空压），负压也是表压的一

个特例。

二、压力传感器

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工

业自控环境，涉及水利水电、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、管道等众多行业，下面就

简单介绍一些常用传感器原理及其应用。

1、应变片压力传感器

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。

下面我们主要介绍这类传感器。

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。

金属电阻应变片的内部结构由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保

护片和引出线等部分组成。根据不同的用途，电阻应变片的阻值可以由

设计者设计，但电阻的取值范围应注意：阻值太小，所需的驱动电流太

大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应

变片的阻值变化太大，输出零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻

太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十

千欧左右。

电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变

而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用

下式表示：R=ρ×L/S

式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）

S——导体的截面积（cm2）

L——导体的长度（m）

我们以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积

都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如

金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会

增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则

会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即

可获得应变金属丝的应变情况。

2、陶瓷压力传感器

抗腐蚀的陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的

前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连

接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生

一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准

的信号根据压力量程的不同标定为2.0/3.0/3.3mV/V等，可以和

应变式传感器相兼容。通过激光标定，传感器具有很高的温度稳定性和

时间稳定性，传感器自带温度补偿0～70℃，并可以和绝大多数介质

直接接触。

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。陶

瓷的热稳定特性及它的厚膜电阻可以使它的工作温度范围高达-40～

135℃，而且具有测量的高精度、高稳定性。电气绝缘程度2kV，输出

信号强，长期稳定性好。高特性，低价格的陶瓷传感器将是压力传感器

的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也

越来越多的用户使用陶瓷传感器替代扩散硅压力传感器。

3、扩散硅压力传感器

工作原理被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），

使膜