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电容式压力传感器的工作原理（几分钟带你搞定压力传感器）

笑风云2022-12-05 14:09:01生活318

大家好，我是李工，创作不易，希望大家多多支持我。

五一休息了5天，不知道大家玩得怎么样？接下来将给大家分享分享关于传感器的知识，今天是压力传感器。

什么是压力？

这个压力不是我们通常说的压力，不是说工作有压力，生活有压力这种。

这个压力是单位面积上施加在表面上的力的表达，准确的说法是压强，通常测量液体、空气、其他气体的压力等。

压强的标准单位是“帕斯卡”。这相当于一个“牛顿每平方米”。

压力传感器只是监控这个压强，并可以在世界上已知的几个单位之一中显示它。这通常是“帕斯卡”、“巴”和“PSI”（磅/平方英寸）。

轮胎中的空气压力是压强及其测量方式的一个特别形象的例子。

当我们给轮胎充气时，它施加在轮胎上的力会增加，导致轮胎充气，通过轮胎内的压力传感器进行监控的。

汽车轮胎充气图

什么是压力传感器？

压力传感器是将气体或液体中的输入机械压力转换为电输出信号的传感器或仪器。压力传感器由可以测量、检测或监控施加压力的压敏元件和将信息转换为电输出信号的电子元件组成。

压力传感器具有两个重要特性：(1) 提供承受高压的坚固性；(2) 具有弹性以最小程度地变形并在受压时恢复其原始形状。

压力传感器如何工作

简而言之，压力传感器将压力转换为一个小的电信号，然后进行传输和显示。

因此，这些通常也被称为压力变送器。使用的两个常见信号是 4 到 20 mA信号和 0 到 5 V 信号。

压力传感器的工作原理图

大多数压力传感器使用压电效应工作。

这是当材料响应应力而产生电荷时，这种应力通常是压力，但也可能是扭曲、弯曲或振动。

压力传感器检测压强并可以通过测量电荷来确定压强的大小。

压力传感器需要校准，以便知道什么电压或毫安 (mA) 信号对应于什么压强，这是基本的“零”和“跨度”校准或最小值和最大值，这是维护人员的常见工作。

压力传感器工作原理--压阻式压力传感器

压阻传感元件也可以以类似的桥接形式排列。下图说明了桥式压力传感器的传感元件是如何连接到柔性膜片上的，因此电阻会根据膜片偏转的大小而变化。压力传感器的整体线性度取决于膜片在规定测量范围内的稳定性，以及应变片或压阻元件的线性度。

压阻式压力传感器元件根据膜片反射的大小测量电阻变化

压阻式压力传感器元件根据膜片反射的大小测量电阻变化

压力传感器工作原理--应变式压力传感器

应变计压力传感器适用于测量极高和极低的压力以及压差。压差是任何两个给定点之间的压力差。

应变计压力传感器包含一个传感元件，一个隔膜。隔膜的任何变形都会引起应变片电阻的变化。通常，惠斯通电桥中使用 4 个量规，以最大限度地提高传感器的灵敏度，这种电阻变化被转换成可用的输出信号。

应变计压力传感器组件：连接器 (A)、外壳 (B)、应变计 (C) 和压力入口 (D)

应变计压力传感器

在应变计型压力传感器中，箔或硅应变计布置为惠斯通电桥。应变仪连接到某种隔膜上，当施加压力时隔膜会发生偏转。然后由惠斯通电桥电路测量、放大和调节所得信号，以提供代表施加压力的合适传感器电压或变送器电流输出，如下图所示。

桥式传感器的电路图

压变是测量系统中两个压力值或两个压力点之间的压力差，因此测量两个点彼此之间的差异，而不是它们相对于大气压力或另一个参考压力的大小比如绝对真空。

这与仅使用一个端口测量压力的静态或绝对压力传感器不同，并且通常压变计传感器封装有两个端口，管道可以连接到两个端口，并在两个不同的压力点连接到系统被测量和计算。

这种压力测量方法通常用于测量管道或管道中液体或气体的流量。

下图为使用压变计测量传感器进行罐液位测量。

使用差压测量传感器进行罐液位测量

压力传感器工作原理--电容式压力传感器

电容压力传感器通过检测由于隔膜运动引起的电容变化来测量压力。它有两个电容板、一个隔膜和一个固定在未加压表面上的电极。这些板之间有一定的距离，压力的变化会使这些板之间的间隙变宽或变窄，电容的这种变化被转换为可用信号。

根据应用，该传感器可以测量绝压、表压或差压。电容压力传感器组件：绝缘支架 (A)、隔膜 (B)、电容器板 (C) 和压力端口 (D)

电容压力传感器

压力传感器工作原理--电位压力传感器

电位压力传感器由一个精密电位器组成。电位器由连接到压力敏感元件（例如隔膜）的雨刷组成，该元件上的偏转会改变刮水器的位置，电阻值在游标和电位器一端之间变化。该值是施加的压力的量度。

电位压力传感器组件：雨刷器 (A)、电阻测量电桥电路 (B)、与压力成比例的测量 (C)、电桥电源 (D)、压力元件的活动臂 (E) 和位移 (F) )。

电位压力传感器

压力传感器工作原理--谐振线压力传感器

谐振线压力传感器具有位于隔膜中的振弦，电子振荡器使金属丝保持振动，随着膜片中压力的变化，它会影响金属丝的张力并改变共振频率，这个频率可以被数字计数器电路感测并转换成电信号。

谐振线压力传感器组件：谐振线 (A)、至振荡器电路 (B)、高侧支撑板 (C)、磁铁 (D)、金属管 (E)、高压膜片 (F)、流体传输端口 (G)、低压隔膜 (H)、电绝缘体 (I)、预紧弹簧 (J) 和低侧支撑板 (K)

谐振线压力传感器

压力传感器工作原理--感应式压力传感器

感应式压力传感器使用电磁感应原理工作。换能器具有连接到铁磁芯的隔膜，隔膜的轻微偏转会导致铁磁芯的线性运动，从而感应出电流。

由于压力变化导致的磁芯运动会改变感应电流。这种电流变化被转换成可用的信号。

感应式压力传感器组件：线圈（A、C）、隔膜（B）和压力（D）

感应式压力传感器

压力传感器工作原理--压电压力传感器

压电压力传感器使用石英晶体或陶瓷材料在施加压力时产生电荷。这种以电压测量的电荷与压力的变化成正比。压电压力传感器非常灵敏且响应速度极快。

压电压力传感器组件的截面图：螺母 (A)、外壳 (B)、晶体 (C)、隔膜 (D)、引线 (E) 和圆盘 (F)

压电压力传感器

压力传感器工作原理--压力传感器的安装

在一定程度上，工作原理——绝对、表压或差动——决定了传感器的结构。例如，当安装在电路板或面板上时，绝对压力传感器可以设计为响应施加在顶侧或背面的压力。为被测介质创建一个从顶部进入的端口可能会使传感器容易受到物理损坏或污垢或湿气污染等危险的影响，可以选择底部进入传感器来克服这一点。下图比较了两种类型的布局。