深入了解常见压力传感器的测量原理和使用方法
发布时间：2020-12-03
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元构成。根据测试压力的不同类型，压力传感器可分为表压传感器、差压传感器和绝压传感器。目前工业设备中更常使用能将压力转换为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实现压力信号到电信号的转换的呢？不同的转换方式又有哪些特点呢？下面我们将总结一下目前常见的几种压力传感器的测量原理。
一、压电压力传感器
压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号。主要使用的压电材料包括石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺，广泛应用于加速度、压力和力等测量领域。压电传感器不能应用于静态测量，因为外界作用力会导致电荷的损失，只有在回路具有无限大输入阻抗时才能保存下来。然而实际情况并非如此。因此，压电传感器只适用于动态测量。
当应力发生变化时，电场的变化微小，其他压电晶体会替代石英。例如酒石酸钾钠具有较大的压电系数和灵敏度，但只能在室内湿度和温度较低的环境中使用。磷酸二氢胺是一种人造晶体，可在高湿度和高温环境下使用，因此应用非常广泛。随着技术的发展，压电效应也应用于多晶体上，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。
基于压电效应工作原理的传感器分为机电转换式和自发电式传感器。其敏感元件由压电材料制成，当受到外力作用时，在其表面会产生电荷。通过电荷放大器、测量电路的放大和阻抗变换等处理，电荷最终被转换成与外力成正比的电量输出。该传感器用于测量力以及可转换为力的非电物理量，如加速度和压力。这种传感器具有许多优点，如重量轻、可靠性高、结构简单、信噪比高、灵敏度高和信号带宽广等。然而，也存在一些缺点，例如某些压电材料对潮湿环境不适应，需要采取防潮措施；同时输出电流响应较差，因此需要使用电荷放大器或高输入阻抗电路来弥补这一缺点，以确保仪器的正常工作。
二、应变压力传感器
应变式压力传感器利用单晶硅的应变效应构成。使用单晶硅片作为弹性元件，在其表面利用集成电路工艺扩散一组等值电阻，并将其连接成桥路，然后将单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，导致直接扩散在其上的应变电阻与被测压力成正比地变化，从而在桥式电路中获得相应的输出电压信号。
许多金属材料和半导体材料都具有应变效应，其中半导体材料的应变效应远大于金属。由于硅是当前集成电路的主要材料，因此使用硅制造的应变传感器变得非常有意义。电阻的变化不仅来自与应力相关的几何形变，还来自材料本身与应力相关的电阻变化，使得其程度因子比金属高出数百倍。N型硅的电阻变化主要是由于导带谷之间的载流子重新分布，这是由于三个导带谷对的位移所引起的。其次，这种变化还归因于与导带谷形状改变相关的等效质量的变化。在P型硅中，这种现象更加复杂，也导致等效质量的改变和电洞转换。
应变压力传感器通常通过引线连接到惠斯登电桥中。当敏感芯体没有受到外界压力时，电桥处于平衡状态（称为零位）。但当传感器受到压力时，芯片的电阻发生变化，电桥失去平衡。如果给电桥加上恒定电流或电压源，电桥将输出与压力对应的电压信号，从而将传感器的电阻变化转换成压力信号输出。通过检测电桥中电阻值的变化，并经过放大、电压电流转换及非线性校正等步骤，最终得到与输入电压呈线性对应关系的标准输出信号，通常为4～20mA。
为了降低温度变化对芯体电阻值的影响，提高测量精度，压力传感器采用了温度补偿措施，以保持其零点漂移、灵敏度、线性度和稳定性等技术指标在较高水平上。
三、电感式压力传感器
电感式压力传感器是一种利用电感作为敏感元件，将被测压力转换成电感值改变的压力传感器。这种传感器通常采用线圈和磁芯组成电感器，通过测量线圈中电感的变化来获得与压力成一定关系的电信号。电感式压力传感器有多种类型和结构。
一种常见的电感式压力传感器是气缸形式的传感器。它由一个可移动的铁心和固定的线圈组成，当受到压力时，可移动铁心会产生位移，从而改变线圈中的电感量，进而输出与压力相关的电信号。这种传感器适用于测量液体或气体中的压力。
另一种类型是柱形电感式压力传感器。它由绕组和铁芯构成，当受到压力时，铁芯会发生位移，使绕组中的电感发生变化，从而产生与压力成比例的电信号。柱形电感式压力传感器广泛应用于工业领域，特别是在流体控制和液位测量中。
此外，还有差动电感式压力传感器。它由两个线圈和一个铁芯组成，其中一个线圈用于受测压力的输入，另一个线圈则用作参考。当压力作用在输入线圈上时，铁芯的位移会导致两个线圈中的电感发生变化，通过差分测量输出与压力相关的电信号。差动电感式压力传感器具有高灵敏度和良好的线性度，适用于需要高精度测量的应用领域。
总之，电感式压力传感器通过测量电感的变化来转换被测压力为电信号。不同类型的电感式压力传感器适用于不同的应用场景，能够满足各种精度和环境要求。
四、磁敏压力传感器
磁敏压力传感器是一类利用磁敏效应原理制成的传感器，包括电感式压力传感器、霍尔压力传感器和电涡流压力传感器等。
4.1 电感式压力传感器
电感式压力传感器的工作原理基于磁性材料和磁导率的差异。当压力施加在薄膜上时，气隙的大小会发生变化，进而影响线圈内的电感值。通过处理电路将电感变化转化为相应的输出信号，从而实现对压力的测量。根据磁路变化不同，电感式压力传感器可分为磁阻变化型和磁导率变化型。电感式压力传感器具有高灵敏度和大测量范围的优点，但不适用于高频动态环境。
磁阻变化型压力传感器的主要组成部件是铁芯和薄膜。它们之间形成了一个气隙，当受到压力时，气隙的大小发生变化，导致磁阻发生变化。如果在铁芯线圈上加入一定的电压，随着气隙变化，电流也会相应改变，从而测量压力值。
在磁通密度较高的情况下，铁磁材料的导磁率不稳定。为了解决这个问题，可以采用磁导率变化型压力传感器进行测量。磁导率变化型压力传感器使用可移动的磁性元件替代铁芯，压力的变化导致磁性元件移动，进而改变磁导率，从而得出压力值。
4.2 霍尔压力传感器
霍尔压力传感器基于半导体材料的霍尔效应原理制成。霍尔效应是指当将固态导体置于磁场中，并施加电流，导体内的电荷载流子受到洛伦兹力的作用而偏转一边，进而产生电压（称为霍尔电压）。通过霍尔电压的极性，可以确定导体内部电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）运动引起的。
当在导体上施加与电流方向垂直的磁场时，导线中的电子受到洛伦兹力的作用而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场。这个电场将平衡磁场引起的洛伦兹力，使后面的电子能够顺利通过而不发生偏移，这就是霍尔效应。所产生的内建电压称为霍尔电压。
4.3 电涡流压力传感器
电涡流压力传感器是一种基于电涡流效应工作的压力传感器。该效应是由移动磁场与金属导体相互作用，或者移动的金属导体与磁场垂直交会所产生的。简而言之，这是电磁感应效应的结果。这个过程会在导体内部产生一个循环电流。
电涡流特性使得电涡流压力传感器具有零频率响应等特点，因此可用于检测静态压力。
五、谐振弦式压力传感器
谐振弦式传感器是一种以紧绷的金属弦作为敏感元件的传感器。当弦的长度确定后，其固有振动频率的变化量可以反映弦所受拉力的大小。通过相应的测量电路，可以获得与拉力成一定关系的电信号。谐振弦式压力传感器属于频率敏感型传感器，频率测量具有高准确度，因为时间和频率是可以准确测量的物理量参数，并且频率信号在传输过程中可以忽略电缆电阻、电感、电容等影响因素。同时，谐振弦式压力传感器还具有抗干扰能力强、零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高和性能稳定的优点。它便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，因此也被看作是传感技术发展的一个方向之一。
谐振弦式压力传感器由上部和下部两个部分组成。下部主要包括敏感元件组合体。上部是铝壳，内含一个电子模块和一个接线端子，位于两个小室中，以保持电子模块室的密封性。谐振弦式压力传感器可选择电流输出型和频率输出型。在工作时，谐振弦不断以其固有的谐振频率振动。当测量的压力发生变化时，频率将发生相应的变化。这种频率信号可以通过转换器转换为4~20mA的电流信号。
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