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五一有 5 天的休息时间，大家玩得如何呢？接下来要给大家分享关于传感器的知识啦，今天讲的是压力传感器。

什么是压力？

这种压力并非我们平常所提及的压力，并非指工作方面有压力以及生活方面有压力之类的情况。

这个压力是对表面施加的力在单位面积上的体现，确切来讲就是压强，一般用于测量诸如液体、空气以及其他气体的压力等情况。

压强的标准单位是“帕斯卡”。这相当于一个“牛顿每平方米”。

压力传感器的作用是监控这个压强，并且能够在世界上已知的几个单位当中显示它。通常会显示“帕斯卡”，也会显示“巴”，还会显示“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，轮胎上所受的力会增大。力的增大使得轮胎开始充气。同时，轮胎内的压力传感器会对这一过程进行监控。

汽车轮胎充气图

什么是压力传感器？

压力传感器能够把气体或者液体里的输入机械压力转化为电输出信号。它是一种传感器或者仪器。压力传感器由能够测量、检测或者监控施加压力的压敏元件以及将信息转换为电输出信号的电子元件共同构成。

压力传感器具备两个重要的特性。其一，它能提供承受高压的坚固性能；其二，它具有弹性，能够在受压时最小程度地发生变形，并且之后可以恢复其原始形状。

压力传感器如何工作

压力传感器会把压力转化成一个小的电信号，接着对这个电信号进行传输和显示。

这些通常被称作压力变送器。其中使用的两个常见信号，一个是 4 到 20 mA 信号，另一个是 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。

当材料响应应力时会产生电荷，这种应力一般是压力，不过也有可能是扭曲、弯曲或者振动。

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。

压力传感器需要进行校准。通过校准，能够知晓何种电压或毫安（mA）信号对应着何种压强。这其中包括基本的“零”和“跨度”校准，也就是最小值和最大值的校准。而这些校准工作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

压阻传感元件能够以类似桥接的形式进行排列。从下图可以看出，桥式压力传感器的传感元件与柔性膜片的连接方式是这样的，所以电阻会随着膜片偏转程度的大小而发生变化。压力传感器的整体线性度，一方面取决于膜片在规定测量范围内的稳定性，另一方面取决于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压力。应变计压力传感器适用于测量极低压力。应变计压力传感器适用于测量压差。压差是指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和一个隔膜。隔膜一旦发生变形，就会导致应变片电阻发生变化。通常情况下，在惠斯通电桥中会使用 4 个量规，这样做的目的是最大限度地提高传感器的灵敏度。而这种电阻的变化会被转换成可用的输出信号。

应变计压力传感器组件包含连接器 (A)、外壳 (B)、应变计 (C) 以及压力入口 (D) 。

应变计压力传感器

应变计型压力传感器中，箔或硅应变计被布置成惠斯通电桥。某种隔膜上连接着应变仪，施加压力时隔膜会发生偏转。接着，由惠斯通电桥电路对所得信号进行测量、放大和调节，从而提供能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

压变是测量系统中的一种测量方式，它测量的是两个压力值或两个压力点之间的压力差。它主要是测量两个点之间的差异，而不是测量它们相对于大气压力或另一个参考压力（如绝对真空）的大小。

这种情况与仅用一个端口来测量压力的静态或绝对压力传感器不一样。通常，压变计传感器是封装有两个端口的，管道能够连接到这两个端口，并且在两个不同的压力点连接到系统，以便进行测量和计算。

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

电容压力传感器是通过检测电容变化来测量压力的。这种电容变化是由隔膜运动引起的。它包含两个电容板、一个隔膜以及一个固定在未加压表面上的电极。这些板之间存在一定距离，压力的变化会导致这些板之间的间隙发生变宽或变窄的情况，而电容的这种变化能够被转换为可用信号。

该传感器依据应用情况，能够对绝压、表压或者差压进行测量。电容压力传感器组件包含绝缘支架 (A)、隔膜 (B)、电容器板 (C) 以及压力端口 (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构成。电位器是由连接至压力敏感元件（像隔膜这类）的雨刷所组成。在该元件上的偏转，会改变刮水器的位置。电阻值会在游标与电位器一端之间发生变化。此值就是施加压力的量度。

电位压力传感器组件包含雨刷器 (A)；包含电阻测量电桥电路 (B)；包含与压力成比例的测量 (C)；包含电桥电源 (D)；包含压力元件的活动臂 (E)；包含位移 (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

谐振线压力传感器的振弦位于隔膜中。电子振荡器会让金属丝持续振动。膜片中压力发生变化时，会对金属丝的张力产生影响，进而改变共振频率。这个频率能够被数字计数器电路感知，并被转换成电信号。

谐振线压力传感器组件包含谐振线 (A)，它连接至振荡器电路 (B)；还有高侧支撑板 (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) 以及低侧支撑板 (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

感应式压力传感器依据电磁感应原理进行工作。换能器上有连接着铁磁芯的隔膜，隔膜发生轻微偏转时，会使铁磁芯产生线性运动，进而感应出电流。

压力变化会使磁芯运动，磁芯运动能改变感应电流。这种感应电流的变化可以被转换成可用的信号。

感应式压力传感器组件包含线圈（A、C），还有隔膜（B）以及压力（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

压电压力传感器在施加压力时会利用石英晶体或陶瓷材料产生电荷。这种因压力而产生的电荷可以通过电压进行测量，且其变化与压力成正比。压电压力传感器具有灵敏度高和响应速度极快的特点。

压电压力传感器组件的截面图包含螺母 (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

工作原理在一定程度上决定了传感器的结构，比如绝对、表压或差动等原理。当传感器安装在电路板或面板上时，绝对压力传感器可以被设计为对施加在顶侧或背面的压力作出响应。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遭遇物理损坏，或者面临污垢、湿气等污染的危险。而选择底部进入传感器，就可以克服这一情况。下图比较了两种类型的布局。

压力传感器的安装图

压力传感器工作原理--顶部或底部入口绝对压力传感器示意图

仪表传感器通常会进行这样的设计，即可以让大气压力作用于一个端口，并且也能够让所测量的压力施加到另一个端口。

类似地，差分传感器有两个端口。每个被测介质都被设计为通过这些端口与传感元件接触。下图对仪表和差动传感器的结构进行了比较。

表压（左）和两端口差动（右）压力传感器封装。

表压（左）和两端口差动（右）压力传感器封装