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1、智能压力传感器摘 要传感器技术在当代科技领域中占有十分重要的地位，是21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点，在国外各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20世纪80年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高打捞技术之首，美国等西方国家也将传感器的基本知识列为国家科技和国防技术发展的重点内容。当前，世界上正面临着一场新的技术革命，这场革命的主要基础就是信息技术。信息技术的发展给人类社会和国民经济的各个部门及各个领域都带来了巨大的、广泛的、深刻的变化，是当今人类社会发展的强大动力。并且正在改变着传统工业的生产方式，带动着传统工业和其他新兴产业的更新和变革。在军事国防、航空航
2、天、海洋开发、生物工程、医疗保健、商检质检、环境保护、安全范围、家用电器等方面，几乎每一个现代化项目也都离不开传感器技 。 信息的采集是指从自然界中、以及生产过程中或科学实验中获取人们需要的信息。信息的采集是通过传感器技术实现的，因此传感器检测技术实质上也就是信息采集技术。显而易见，在现代信息技术的三大环节中，“采集”是首要的基础的一环，没有“采集”到的信息，通信“传输”就是“无源之水”，计算机“处理”更是“无米之炊”。 然而随着计算机技术的飞速发展，信息处理技术也在不断更新完善。但作为提供信息的元件传感器，它的发展相对于计算机的信息处理功能来说就落后了。这使得自动检测技术受到影响，也直接影响
3、到多种技术的进一步发展。基于上述因素，越来越多的科技工作者对传感器技术予以了高度的重视，促使传感器技术加速发展，以适应信息处理技术的需要。 AbstractThe sensor technology in the field of contemporary science and technology plays a very important role in twenty-first Century, is the people in the high technology and new technology development for a commanding elevation,
4、 in foreign countries will sensor technology as the key to the development of modern high technology. In the nineteen eighties, Japan will sensor technology as a priority the development of the high salvage technique for the first time, the United States and other western countries will also sensors
5、 basic knowledge as a national science and technology and defense technology development focus on the content of. At present, the world is facing a new technological revolution, the revolution of the main basis is the information technology. Information technology development to human society and al
6、l sectors of the national economy and in various fields have brought tremendous, extensive, profound changes, is the motive force of social development. And is changing the traditional industry, drive traditional industry and other emerging industrial update and change. In the military defense, aero
7、space, marine development, biological engineering, medical care quality inspection, commodity inspection, environmental protection, security products, household appliances and so on, almost every modern project are inseparable from the sensor technology.Information collection is from nature, as well
8、 as the production process or scientific experiment for people need information. The collection of information is through the sensor technology, so the sensor detection technology is the essence of information acquisition technology. Obviously, in the modern information technology in the three major
9、 processes, acquisition is the primary basis of a ring, no collection to the information, communication transmission is passive water, computer processing is to make bricks without straw.However, with the rapid development of computer technology, information processing technology is also constantly
10、updated sound. But as the provision of information element sensor, its development relative to the computer information processing functions are behind. This enables the automatic detection technology affected, but also directly affect the further development of a variety of technology. Based on the
11、 above factors, more and more researchers on sensor technology has paid great attention, to accelerate the development of sensor technology, in order to adapt to the needs of information processing technology.分享到 目 录1绪论1 1.1 传感器介绍 2 1.2 论文研究的意义4 1.3 研究背景5 1.3.1 传感器发展概况与背景 6 1.3.2 压力传感器国内外发展状况 81.4 传
12、感器的性能指标 10 1.5 实验测试软件介绍10 1.6 本课题研究的主要内容11 2 压力传感器介绍 12 2.1 应变式力传感器的概述 12 2.2 电阻应变式传感器工作原理12 2.3 应变式测力传感器结构16 2.4 传感器的测量电路 19 3 MATLAB简介20 4实验过程及处理结果22 4.1实验器材： 22 4.2 实验说明 23 4.3 实验过程及结果分析24谢 辞44 参考文献 45 1 绪 论智能压力传感器是传感器技术中的一个重要分支，它跨计算机、自动控制、机械、电子等多个学科。目前，越来越多的测力传感器已应用到工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域。这些应用对测力
13、传感器的测量范围以及测量精度提出了更高的要求。现有的大量程压力传感器在测量小范围压力时精度不高而小量程的压力传感器精度高却不满足测量范围。压力传感器是测力传感器的一种，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。本题目在已有一款组合型压力传感器的基础上，对其中的大量程传感器。仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。 我们知道，晶体是各向异性的，
14、非晶体是各向同性的。某些晶体介质，当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态，也就是受到压力的时候，某些晶体可能产生出电的效应，这就是所谓的极化效应。科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器。 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
15、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。 在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。 1.1 传感器介绍现代社会的科学技术高度发达，人类已进入瞬息万变的信息时代。在工业生产和科学实验等活动中，人们主
16、要是对信息进行获取、开发、传输和处理，而传感器正处于测试的接口位置，是研究的主要对象，是感知、获取和检测信息的窗口，提供给系统进行决策和处理所必需的原始数据。一切的科学实验和生产过程，特别是在自动监测和自动控制系统中要获取信息，都要通过传感器转换为容易传输与处理的信号。传感器特点是对原始参数进行精确可靠的测量，灵敏地感受被测量，把感受到的被测量精确地转换成电信号，使其与其他高精确度的仪表和装置组合起来，达到最佳显示与控制数据的目的12传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理，按照一定的工艺和结构研制出来的，因此传感器组成的细节有较大差异。但是总的来说，传感器应由敏感元件、转换元件
17、和其他辅助部件组成，如图1-1所示。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受或响应出的信息转换成适于传输或测量的电信号的部分。信号调节电路是能把转换元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常是电源3。图1-1 传感器的组成框图在实际工程应用中，以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的另一种量的测量装置称作是传感器。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等，它的输出量是某种物理量，这种量应便于传输、转换、处理、显示等，它可以是气、光、电，但主要是电量。压力是工业生产中的重要参数之一
18、，为了保证生产正常运行，必须对压力进行测量和控制，但需说明的是，这里所说的压力，实际上是物理概念中的压强，即垂直作用在单位面积上的力。在压力测量中，常用绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。所谓绝对压力是指被测介质作用在容器单位面积上的全部压力，用符号pj表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用符号pq表示。用来测量大气气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差。称为表压力，用符号pb表示。即pb=pj-pq。当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度，用符号pz表示。压力是工业生产中的重要参数，如
19、高压容器的压力超过额定值时便是不安全的，必须进行测量和控制。在某些工业生产过程中，压力还直接影响产品的质量和生产效率，如生产合成氨时，氮和氢不仅须在一定的压力下合成，而且压力的大小直接影响产量高低。此外，在一定的条件下，测量压力还可间接得出温度、流量和液位等参数。1643年，意大利人托里拆利首先测定标准的大气压力值为760毫米汞柱，奠定了液柱式压力测量仪表的基础。1847年，法国人波登制成波登管压力表，由于结构简单、实用，很快在工业中获得广泛应用，一直是常用的压力测量仪表。二十世纪上半叶出现了远传压力表和电接点压力表，从而解决了压力测量值的远距离传送和压力的报警、控制等问题。60年代以后，为适
20、应工业控制、航空工业和医学测试等方面的要求，压力测量仪表日益向体积轻巧、耐高温、耐冲击、耐振动和数字显示等方向发展。1.2 论文研究的意义自从人类研制出了第一个传感器以后，传感器就开始显示出了它极大的生命力。但是进入20世纪90年代以来，由于具有单一测量功能的传感器应用趋向饱和，而许多生活和工程中需要传感器适用于各种测量和检测等，从而促使传感器技术获得较为迅速的发展。无论是从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展传感器产业的一条重要途径就是开发各种测量范围的传感器，提高传感器的性能，扩大其功能和应用领域。测力传感器用途广泛，它们在工业、农业、国防、航空航天、医学等众多领域都得到了广泛的应用，是传
21、感器家族中极为重要的一个部分3。力是物理及工程科学中的一个重要的物理量之一，在科学实验及工程技术中，由于量程和精度要求的差异，对力的测量元器件也提出了各种各样的要求。压力传感器是一种测量压力的装置，在工程中有广泛的应用，传感器也可以认为是由质量，阻尼，弹簧组成的测量系统。上述三个参数的合理选择对其动态力测量的品质有着至关重要的影响。本题目在已有一款组合型压力传感器的基础上，仿真研究该传感器阻尼系数对其动态测量性能的定量关系，选出最优的阻尼参数.1.3 研究背景1.3.1 传感器发展概况与背景近年来，随着微型计算机的发展，他的应用在人们的工作和日常生活中越来越普遍。工业过程控制是计算机的一个重要
22、应用领域。其中由单片机构成的嵌入式系统已经越来越受到人们的关注。现在可以毫不夸张的说，没有微型计算机的仪器不能称为先进的仪器，没有微型计算机的控制系统不能称其为现代控制系统的时代已经到来。压力测量对实时监测和安全生产具有重要的意义。在工业生产中，为了高效、安全生产，必须有效控制生产过程中的诸如压力、流量、温度等主要参数。由于压力控制在生产过程中起着决定性的安全作用，因此有必要准确测量压力。为了测到不同位置的压力值，本次设计为基于单片机智能压力测量系统。通过压力传感器将需要测量的位置的压力信号转化为电信号，再经过运算放大器进行信号放大，送至8位AD转换器，然后将模拟信号转换成单片机可以识别的数字
23、信号，再经单片机转换成LED显示器可以识别的信息，最后显示输出。基于单片机的智能压力检测系统，选择的单片机是基于AT89C51单片机的测量与显示，将压力经过压力传感器变为电信号，再通过三运放放将电信号放大为标准信号为0-5V的电压信号，然后进入A/D转换器将模拟量转换为数字量，我们所采样的A/D转换器为ADC0832，ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使
24、多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。 为了提高单片机系统I/O口线的利用效率,利用单片机AT87C51的串行口和串行移位寄存器74LS164扩展输出多位LED显示.键盘是单片机系统实现人机对话的常用输入设备。我们通过键盘，向计算机系统输入各种数据和命令，亦可通过使用键盘，让单片机系统处于预定的功能状态。要想实现压力的显示需硬件与软件配合，最
25、终调试出来。传感器技术是当今世界令人瞩目且高速发展的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志。无论是在日常生活，还是工业生产领域中，每一项技术的革新几乎都离不开传感器。近百年来，传感器的发展大致经历了以下三个阶段6：（1）传统型；（2）集成传感器/ 控制器；（3）智能型传感器。美国二十世纪八十年代早期就宣称世界已经进入传感器时代，日本则把传感器技术和计算机、通信、半导体、激光、超导技术并列为世界六大核心技术，因而就有了支配了传感器技术就能够支配新时代这一说法。世界上发达国家对开发传感器技术都十分重视。我国的传感器技术的研究是从20世纪60年代开始的，在“科学技术就是第一生产力”的思想的
26、指导下，各项科学技术取得了迅速的发展，传感器技术和传感器制造业也受到各方面的重视。改革开放三十年来，我国的传感器技术及其产业取得了很大的进步，主要表现在：“七五”期间，国家把机敏、力敏、气敏等作为主要研究方向；“九五”和“十五”期间，传感器技术研究取得了51个品种86个规格新产品的成绩，敏感元件和传感器成为重点发展的新型特种电子产品；建立传感器技术的国家重点实验室、微米/纳米国家重点实验室等研究基地；2007年传感器业总产量达到二十多亿只，品种规格已有近六千种，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定的应用；我国八十年代末就将传感器列入国家高新技术发展的重点，经过“八五”、“九五”和“十五”的
27、攻关和产业化建设，目前全国已有2000多家企事业单位从事传感器的研制、生产和应用。但由于经济水平和生产、研发资金等条件的限制，我国传感器技术总体水平还是相对比较落后，规模和应用领域都比较小。在所有类型传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高、工作稳定可靠、成本低等优点，可广泛用于压力、高度、加速度、液体的流量、压强的测量与控制。压力传感器已成为各类传感器技术最成熟、性能比最高的一类传感器。由于单一型传感器应用范围窄，新型传感器的开发和应用则成为现代传感器技术的核心和关键问题，它也将成为21世纪信息产业新的经济增长点之一。1.3.2 压力传感器国内外发展状况从压力传感器的发展来看，大致可
28、分为三个阶段14。第一阶段是探索阶段，将力转换为物理量的探索阶段，如将力转换成电信号等方法的研究。此间先后出现了机械式、电阻应变式、电感式等的压力传感器，这类测力传感器结构简单、方便；第二阶段是静态力测试研究的阶段，此阶段研究的压力传感器要利用弹性体的变形来获得对力的感应，这就使力敏元件的刚度和灵敏度之间的矛盾成为研究者致力研究的关键；第三阶段动态力的测试与研究阶段，作为这个阶段的代表就是压电式测力传感器。1945年史密斯发现了硅与锗的压阻效应，依据此原理制成的压力传感器是把应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化成电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为1cm。随着微机械加工技术和微电子技术的发
29、展，国际上压力传感器技术方面开展了许多探索性的研究工作，研究中沿用传统的作用原理和某些新效应，优先使用晶体材料技术和微电子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，压力传感器技术取得了长足的发展。目前国内外常用的力传感器主要有以下几种形式：（1）应变式工作原理是应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，应变片随之产生变形，从而引起其阻值的变化。下图中的拉压力传感器就是电阻应变片式传感器，其精度、可靠性高，应用范围广16。图1（a）PPM225-LS1拉压力传感器是S型的，其抗侧向力和抗冲击力系性要比图1（b）图的PPM226-LS2拉压力传感器好很多，而且S1型的安
30、装方便，互换性也好。(a) (b) PPM225-LS1拉压力传感器 PPM226-LS2拉压力传感器图1-2 应变式力传感器（2）压阻式压阻式测力传感器利用单晶硅材料的压阻效应，在半导体的基片上经扩散电阻而制成的器件。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路得到正比于力变化的电信号输出。压阻式测力传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、应变、流量、真空度）的测量和控制17。其优点是分辨率高、尺寸小、滞后和蠕变小，响应频率高，适合动态测量。图2为一种压阻式力传感器。 图1-3 压阻式力传感器（3）压磁式压磁式传感器的敏感元件由铁磁材料制成，
31、它把作用力（如弹性应力、残余应力）的变化转换成导磁率的变化，并引起绕于其上的线圈的阻抗或电动势的变化，从而感应出电信号。压磁式传感器是一种新型传感器，它的优点是输出功率大、信号强、牢固可靠、抗干扰性好、过载能力强。缺点是测量精度不很高、频响较低18。图3为压磁式测力称重传感器。图1-4 压磁式称重传感器（4）压电式压电式传感器是利用某些电介质材料在受到外力的作用下产生极化现象而做成的。具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、重量轻、测量范围广等优点。随着电荷放大器的成功研制与应用，压电传感器逐渐地被应用于机械量的测量之中。图4就是压电式测力传感器。图1-5 压电式测力传感器目前，工程中应
32、用最为广泛的就是应变式压力传感器，它具有精度高、性能稳定可靠、结构简单、坚固耐用等优点。但是与其它测力传感器相比，要提高应变式压力传感器的精度比较困难，尤其是在较大量程段和较小量程段，提高测量精度更不容易。在国外，由于对固态压阻式压力传感器的温度性能处理得较好，可以采用灵敏度高、体积小的固态压阻式压力传感器测量大量程范围和小量程范围。而在国内，所生产的固态压阻式压力传感器的温度性能往往难以达到要求，对于大量程段和小量程段的高精度测量一般采用应变式压力传感器。1.4 传感器的性能指标在检测控制系统和科学实验中，需要对各种参数进行检测和控制，而要达到比较优良的控制性能，则必须要求传感器能够感测被测
33、量的变化并且不失真地将其转换为相应的电量，这种要求主要取决于传感器的基本特性。传感器的基本特性主要分为静态特性和动态特性。动态特性是指检测系统的输入为随时间变化的信号时，系统的输出与输入之间的关系。主要动态特性的性能指标有时域单位阶跃响应性能指标和频域频率特性性能指标。1.5 实验测试软件介绍测试的软件系统是DHDAS信号测试分析系统软件，DHDAS信号测试分析系统软件主要功能：参数设置模式（设置系统参数，通道参数等），显示模块（光标显示，窗口显示，图形显示），信号分析模块（数据预处理，频谱分析.频响分析，幅值分析，相关分析，索力计算，风洞计算，桩基检测，应变花计算等）。传感器标定模块（静态标
34、定等）1.6 论文研究的主要内容1熟悉组合型压力传感器的工作原理。2熟练掌握MATLAB软件平台中的动态系统仿真模块。3建立压力传感器的力学模型（假设一个二阶弹簧-质量-阻尼系统）4根据测得的动态特性指标计算出在二阶系统假设下的相关参数。2 压力传感器介绍2.1 应变式力传感器的概述 由弹性元件、电阻应变片等组成的传感器叫做应变式传感器。应变式传感器能够用来测量力、压力及加速度等量。而用来测量力的应变式传感器就称为应变式力传感器。应变式力传感器已经在冶金、电力、交通、生物化学、石化以及国防等部门得到了广泛应用。应变式压力传感器是利用应变变化进行负荷测量的传感器，主要用于测量动态压力。目前这种传
35、感器占负荷传感器的95%以上。与其他类型的传感器相比有以下特点226：（1）测量范围广，测力范围已达0.05N107N；（2）测量精度高；（3）使用寿命长，工作性能稳定可靠，输出特性的线性度好；（4）结构简单、尺寸小、重量轻；（5）响应频率高，适合测量动态过程；（6）环境适应能力强，可以在高温、高压、振动核辐射及化学腐蚀很严重的恶劣环境下工作。2.2 电阻应变式传感器工作原理 压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
36、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
37、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： 式
38、中：金属导体的电阻率（/m ） S 导体的截面积（） 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 、陶瓷压力传感器原理及应用 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），
39、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 / 3.3 mV/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
40、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 、扩散硅压力传感器原理及应用 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），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。 4 、蓝宝石压力传感器原理与应用 利用应变电阻式工作原理，采用硅- 蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。 蓝宝石系由单晶体绝缘体元素组成，不会发生滞后、疲劳和蠕变现象；蓝宝石比硅要坚固，硬度更高，不怕形变；蓝宝石有着非常好的弹性和绝缘特性（以内），因此，利用硅- 蓝宝石制造的半
41、导体敏感元件，对温度变化不敏感，即使在高温条件下，也有着很好的工作特性；蓝宝石的抗辐射特性极强；另外，硅- 蓝宝石半导体敏感元件，无p-n 漂移，因此，从根本上简化了制造工艺，提高了重复性，确保了高成品率。 用硅- 蓝宝石半导体敏感元件制造的压力传感器和变送器，可在最恶劣的工作条件下正常工作，并且可靠性高、精度好、温度误差极小、性价比高。 表压压力传感器和变送器由双膜片构成：钛合金测量膜片和钛合金接收膜片。印刷有异质外延性应变灵敏电桥电路的蓝宝石薄片，被焊接在钛合金测量膜片上。被测压力传送到接收膜片上（接收膜片与测量膜片之间用拉杆坚固的连接在一起）。在压力的作用下，钛合金接收膜片产生形变，该形
42、变被硅- 蓝宝石敏感元件感知后，其电桥输出会发生变化，变化的幅度与被测压力成正比。 传感器的电路能够保证应变电桥电路的供电，并将应变电桥的失衡信号转换为统一的电信号输出（0-5 ，4-20mA或0-5V）。在绝压压力传感器和变送器中，蓝宝石薄片，与陶瓷基极玻璃焊料连接在一起，起到了弹性元件的作用，将被测压力转换为应变片形变，从而达到压力测量的目的。 5 、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（
43、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
44、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。 压电式传感器也广泛应用在生物医学测量中，比如说心室导管式微音器就是由压电传感器制成的，因为测量
45、动态压力是如此普遍，所以压电传感器的应用就非常广泛电阻应变片的工作原理是基于金属电阻丝的电阻应变效应。用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随其发生相应的变化，同时，应变片电阻也发生相应变化27。这种关系可以用下式表示，即 （2-1）式中的K0为材料的应变系数，为应变片的应变值。从式（2-1）中可知，当K0为定值时，只要测得 的值，就可以得到相应的值。然后根据求得应力的大小。其中E为弹性模量。在应变式传感器中，经常是将四个应变片成对的横向或者纵向粘贴在弹性元件上，这样应变就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形。将四个应变片接成某种形式的电桥电路，这样就可以从电
46、桥的输出中得出应变量大小，从而根据应变量与外力的关系得出作用在弹性元件上外力F的大小2。2.3 应变式测力传感器结构（1）梁式结构图5示意几种常见的梁式弹性体的结构形式。国内外不论是拉式结构还是压式结构都基本采用这种梁式弹性体作为敏感元件，梁式弹性元件大部分是悬臂梁式，悬臂梁是一端固定，一端自由的弹性元件2。它的结构简单、加工方便、应变和位移较大。此结构的传感器量程范围一般集中在21000kg，主要应用在称重、电子平台秤中。其中图2-1（a）中数字部分是应变片贴片区。（a） （b） 两端固定梁 S式梁 （c） （d） 双连孔式悬臂梁 双连扁孔式悬臂梁 图2-1 梁式结构（2）板环式结构图6所示
47、的是板环结构传感器敏感元件部分，国内早期板环弹性体4只用于拉式传感器。近年来，由于工艺成熟，板环结构被用于压式传感器。板环式拉压力传感器具有抗偏、抗弯、抗扭能力，动态响应能力要比梁式结构好。图2-2 板环式结构（3）柱式结构图2-3所示的是柱式传感器的结构。尽管这种弹性体结构的传感器在不采取线性补偿，非线性误差较大。结构本身并不具有抗偏、抗扭的能力，但这种传感器有很高的抗冲击能力，而且这种柱式结构在国内来说，工艺成熟、加工方便、重复误差、滞后误差小等优点2829。图7（a）所示的是柱式弹性体结构的应变分布示意图。图2-3（c）所示为香港产的AUTO-CFBHZ-B 系列的柱式称重传感器。(a) （b） （c） 图2-3 柱式传感器结构图 （4）轮辐式图8 是轮辐式弹性体结构。轮辐式力传感器与传统的拉压式传感器相比 ,具有精度高、滞后小、重复性好、抗偏心载荷能力强、结构高度最小、重量轻等优点 ,因此