，而且可以靈活設(shè)計彈性敏感元件的形式以適應(yīng)各種應(yīng)用場合
，所以用應(yīng)變片制造的應(yīng)變式壓力傳感器仍有廣泛的應(yīng)用。按彈性敏感元件結(jié)構(gòu)的不同,應(yīng)變式壓力傳感器大致可分為應(yīng)變管式、膜片式
、應(yīng)變梁式
、組合式四種。
①應(yīng)變管式 又稱應(yīng)變筒式
。它的彈性敏感元件為一端封閉的薄壁圓筒
，其另一端帶有法蘭與被測系統(tǒng)連接(圖1)。在筒壁上貼有2片或4片應(yīng)變片
，其中一半貼在實心部分作為溫度補償片,另一半作為測量應(yīng)變片
。當(dāng)沒有壓力時 4片應(yīng)變片組成平衡的全橋式電路;當(dāng)壓力作用于內(nèi)腔時,圓筒變形成“腰鼓形”,使電橋失去平衡,輸出與壓力成一定關(guān)系的電壓。這種傳感器還可以利用活塞將被測壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到應(yīng)變筒上或通過垂鏈形狀的膜片傳遞被測壓力
。應(yīng)變管式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)簡單
、制造方便、適用性強
，在火箭彈
、炮彈和火炮的動態(tài)壓力測量方面有廣泛應(yīng)用。
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、谀て? 它的彈性敏感元件為周邊固定圓形金屬平膜片
。膜片受壓力變形時，中心處徑向應(yīng)變和切向應(yīng)變均達到正的zui大值
，而邊緣處徑向應(yīng)變達到負(fù)的zui大值
，切向應(yīng)變?yōu)榱恪Ｒ虼顺０褍蓚€應(yīng)變片分別貼在正負(fù)zui大應(yīng)變處
，并接成相鄰橋臂的半橋電路以獲得較大靈敏度和溫度補償作用
。采用圓形箔式應(yīng)變計(見電阻應(yīng)變計)則能zui大限度地利用膜片的應(yīng)變效果（圖2）。這種傳感器的非線性較顯著
。膜片式壓力傳感器的產(chǎn)品是將彈性敏感元件和應(yīng)變片的作用集于單晶硅膜片一身
，即采用集成電路工藝在單晶硅膜片上擴散制作電阻條，并采用周邊固定結(jié)構(gòu)制成的固態(tài)壓力傳感器（見壓阻式傳感器）
。
③應(yīng)變梁式 測量較小壓力時，可采用固定梁或等強度梁的結(jié)構(gòu)。一種方法是用膜片把壓力轉(zhuǎn)換為力再通過傳力桿傳遞給應(yīng)變梁 。圖3中兩端固定梁的zui大應(yīng)變處在梁的兩端和中點
，應(yīng)變片就貼在這些地方。這種結(jié)構(gòu)還有其他形式
，例如可采用懸梁與膜片或波紋管構(gòu)成
。
④組合式 在組合式應(yīng)變壓力傳感器中，彈性敏感元件可分為感受元件和彈性應(yīng)變元件。感受元件把壓力轉(zhuǎn)換為力傳遞到彈性應(yīng)變元件應(yīng)變zui敏感的部位，而應(yīng)變片則貼在彈性應(yīng)變元件的zui大應(yīng)變處。實際上較復(fù)雜的應(yīng)變管式和應(yīng)變梁式都屬于這種型式。感受元件有膜片、膜盒、波紋管、波登管等，彈性應(yīng)變元件有懸臂梁、固定梁、Π形梁、 環(huán)形梁、薄壁筒等。它們之間可根據(jù)不同需要組合成多種型式。
2、應(yīng)變片使用方法
通常是將應(yīng)變片通過特殊的粘和劑緊密的粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變，從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應(yīng)變片在受力時產(chǎn)生的阻值變化通常較小，一般這種應(yīng)變片都組成應(yīng)變電橋，并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是a/d轉(zhuǎn)換和cpu）顯示或執(zhí)行機構(gòu)。
常用的力測量方法是用應(yīng)變片和應(yīng)變儀測量構(gòu)件的表面應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力、力之間的關(guān)系，確定構(gòu)件的受力狀態(tài)。
應(yīng)變儀采用交流電橋時，輸出特性與直流電橋(直流電橋的輸出特性)類似。應(yīng)變片的布置和電橋組接（簡稱布片組橋）應(yīng)根據(jù)被測量和被測對象受力分布來確定。還應(yīng)利用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響。
測量拉伸(壓縮)應(yīng)變時要采用適當(dāng)?shù)牟计M橋方式，以便達到溫度補償(測軸向拉(壓)時的溫度補償)、消除彎矩影響(用雙工作片消除溫度的影響)和提高測量靈敏度(用四工作片提高測量的靈敏度)的目的
。
常用應(yīng)力測量的布片和組橋方式: 當(dāng)試件受到彎矩作用時，其上、下表面會分別產(chǎn)生拉應(yīng)變或壓應(yīng)變
。可通過應(yīng)變測量求得彎矩
，布片接橋時要注意利用電橋特性
，在輸出中保留彎應(yīng)變的影響
，消除軸向拉、壓力產(chǎn)生的應(yīng)變成分
。
3、典型應(yīng)變式壓力傳感器
三、壓電式壓力傳感器
某些電介質(zhì)沿著某一個方向受力而發(fā)生機械變形(壓縮或伸長)時，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象
，而在其某些表面上會產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后
，它又會重新回到不帶電的狀態(tài)
，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。 壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)
。
1、壓電壓力傳感器的基本介紹
常用的壓電材料有天然的壓電晶體(如石英晶體)和壓電陶瓷(如鈦酸鋇)兩大類，它們的壓電機理并不相同，壓電陶瓷是人造多晶體，壓電常數(shù)比石英晶體高，但機械性能和穩(wěn)定性不如石英晶體好。它們都具有較好特性，均是較理想的壓電材料。
壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測壓力轉(zhuǎn)換為電信號的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：
Q=kSp
式中 Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；S為作用面積；p為壓力。通過測量電荷量可知被測壓力大小。
圖3.1為一種壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。壓電元件夾于兩個彈性膜片之間，壓電元件的一個側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過引線將電荷量引出。被測壓力均勻作用在膜片上
，使壓電元件受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大
，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出
，輸出信號與被測壓力值相對應(yīng)。
除在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外
，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷
，也有用高分子材料(如聚偏二氟乙稀)或復(fù)合材料的合成膜的。
更換壓電元件可以改變壓力的測量范圍；在配用電荷放大器時
，可以用將多個壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度
；在配用電壓放大器時，可以用將多個壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度
。
2、壓電壓力傳感器的基本特點
壓電式壓力傳感器體積小，結(jié)構(gòu)簡單
，工作可靠
；測量范圍寬，可測100MPa以下的壓力
；測量精度較高
；頻率響應(yīng)高，可達30kHz
，是動態(tài)壓力檢測中常用的傳感器
，但由于壓電元件存在電荷泄漏，故不適宜測量緩慢變化的壓力和靜態(tài)壓力
壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，因為經(jīng)過外力作用后的電荷
，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。實際的情況不是這樣的
，所以這決定了壓電傳感器只能夠測量動態(tài)的應(yīng)力
。
壓電傳感器主要應(yīng)用在加速度、壓力和力等的測量中
。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計
。它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小
、重量輕
、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機
、汽車
、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用
，特別是航空和宇航領(lǐng)域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量
。也可以用于軍事工業(yè)
，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力
，也可以用來測量微小的壓力
。
壓電式傳感器也廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測量中，比如說心室導(dǎo)管式微音器就是由壓電傳感器制成的
，因為測量動態(tài)壓力是如此普遍
，所以壓電傳感器的應(yīng)用就非常廣泛
。
3、壓電壓力傳感器測量電路
由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中
，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中
。(其中
，測量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出
；二是放大傳感器輸出的微弱電信號
。
前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器
，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大
，幾乎可以忽略不計
，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。
4、典型壓電壓力傳感器型號
四、電容式壓力傳感器
電容式壓力傳感器采用變電容測量原理，將由被測壓力引起的彈性元件的位移變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙莸淖兓?div id="m50uktp" class="box-center"> ，用測量電容的方法測出電容量 ，便可知道被測壓力的大小。
1 、電容式壓力傳感器基本介紹
根據(jù)平行板電容器的電容量表達式
C=εA/d (3-9)
式中為電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù) ；A為兩平行板相對面積；d為兩平行板間距
。
由上式可知 ，改變A、d
、其中任意一個參數(shù)都可以使電容量發(fā)生變化
，在實際測量中，大多采用保持其中兩個參數(shù)不變
，而僅改變A或d一個參數(shù)的方法
，把參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此
，電容量的變化與被測參數(shù)的大小成比例
。
①差動變極距式電容壓力傳感器
改變電容兩平行板間距d的測量方式有較高的靈敏度，但當(dāng)位移較大時非線性嚴(yán)重 。采用差動電容法可以改善非線性
、提高靈敏度
、并可減小因ε受溫度影響引起的不穩(wěn)定性。
圖3-12是一種電容式差壓傳感器示意圖 。左右對稱的不銹鋼基座內(nèi)有玻璃絕緣層
，其內(nèi)側(cè)的凹形球面上除邊緣部分外鍍有金屬膜作為固定電極，中間被夾緊的彈性膜片作為可動測量電極
，左
、右固定電極和測量電極經(jīng)導(dǎo)線引出，從而組成了兩個電容器
。不銹鋼基座和玻璃絕緣層中心開有小孔
，不銹鋼基座兩邊外側(cè)焊上了波紋密封隔離膜片，這樣測量電極將空間分隔成左
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更新時間：2016-03-14 
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