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压阻式压力传感器

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器，并广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、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。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。

工作原理

压阻式传感器是将输入的机械量应变转换为电阻值变化的变换元件。压阻变换器的输入量为应变，输出量为电阻值的相对变化。固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。半导体材料的这种效应特别强。根据半导体材料的压阻效应且其中是应力();是压阻系数,;E是弹性模量,,所以电阻的相对变化为.要测量其他物理量如压力、力、加速度等，就需要先将应变片贴在相应的弹性元件上，这些物理量被转换为弹性元件的应变，再经应变片将应变转换为电阻输出量。

工作原理图如下：

目前最常用的硅压阻式压力传感器就是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻并连接成惠斯通电桥，如图所示：

硅压阻式压力传感器都由3个基本部分组成

①基体直接承受被测应力。

②波纹膜片将被测应力传递到芯片。

③芯片检测被测应力。芯片是在硅弹性膜片上，用半导体制造技术在确定晶向制作相同的4个感压电阻，将他们连成惠斯通电桥构成了基本的压力敏感元件。

结构图如下：

测量物理量及范围

压阻式压力传感器主要用于测量压力、加速度和载荷参数。工作量程随具体膜片结构不同差异较大，常用传感器的量程为0-100kPa至0-80MP，工作温度为-55℃-125℃，精度为0.5%-0.1%。

具体应用

压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各个领域。

在航天和航空工业中压力是一个关键参数，对静态和动态压力，局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、叶栅的脉动压力和机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达500℃以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05％的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的±0.22％。

在生物医学方面,压阻式传感器也是理想的检测工具。已制成扩散硅膜薄到10微米,外径仅0.5毫米的注射针型压阻式压力传感器和能测量心血管、颅内、尿道、子宫和眼球内压力的传感器。

压阻式传感器还有效地应用于爆炸压力和冲击波的测量、真空测量、监测和控制汽车发动机的性能以及诸如测量枪炮膛内压力、发射冲击波等兵器方面的测量。此外，在油井压力测量、随钻测向和测位地下密封电缆故障点的检测以及流量和液位测量等方面都广泛应用压阻式传感器。随着微电子技术和计算机的进一步发展，压阻式传感器的应用还将迅速发展。

生产厂家、价格

压阻式压力传感器主要生产厂家如下：

重庆川仪仪器仪表

西安西仪仪表有限公司

天康仪表有限公司

江苏苏科仪表自动化

上海自动化仪表三厂

北京中仪华世技术有限

江苏中仪仪表有限公司

联泰仪器仪表有限公司

广东万山仪表系统有限

上海虹江仪表厂

价格大多在100至700元之间，部分高精尖产品则达到数千元。

优缺点

优点：

频率响应高(例如有的产品固有频率达1.5兆赫以上),适于动态测量;

②体积小（例如有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；

③精度高，可达0.1～0.01％；

④灵敏高,比金属应变计高出很多倍，有些应用场合可不加放大器；

⑤无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。

缺点是：

①温度特性差，由于压阻式压力传感器是用半导体材料制作的，受温度影响较大，因此，在温度变化大的环境中使用时，必须进行温度补偿。

②工艺复杂，对研制条件要求高而严格，尤其是扩散杂质、烧结、封装工艺等比其他传感器要复杂的多，因而成本也相对要高。

改进措施

在传感器电源方面我们有两个选择，可以用恒压源供电也可用恒流源供电，但恒压源供电与恒流源供电相比存在环境温度影响不能消除的问题。如图所示：

假设四个扩散电阻的起始阻值都相等且为R,当有应力时,两个电阻阻值增加,增量为另两