1.3 壓力傳感器

在工業生產過程中，壓力是重要的控制參數之一，被控對象經常會出現高壓、低壓，或是壓力差等，為了達到生產過程的優質、安全、高產、低耗，并且獲得良好的經濟技術指標，必須對壓力進行檢測和控制。常用的壓力測量傳感器有應變式壓力傳感器、壓電傳感器等。

1.3.1 應變式壓力傳感器

1.電阻應變片

應變式壓力傳感器是通過電阻應變片將壓力的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過測量電路轉換為電信號的裝置。電阻應變片一般由基底、敏感柵（金屬絲或箔）、覆蓋層和引出線四部分組成，如圖1-13所示。應變片的規格可以用使用面積b×l或電阻值表示。

常用的應變片有金屬應變片和半導體應變片兩類，金屬應變片分為金屬絲式、箔式和薄膜式三種；半導體應變片分為體型、擴散型、薄膜型和PN結元件等類型，如圖1-14所示。

2.測量電路

在應變式壓力傳感器中最常用的測量電路是橋式電路（如圖1-15（a）所示）。

為了使電橋在測量前的輸出為零，應該選擇四個橋臂電阻滿足R1 R3=R2 R4或R1/R2=R4/R3，這就是電橋的平衡條件。由于四個電阻通常不可能剛好滿足平衡條件，因此電橋都設有調零電路。調零電路由滑線變阻器RP1和控制調節范圍的限流電阻R5組成。當采用交流電源時，調零電路還應增設RP2和C1來平衡電容的容抗（如圖1-15（b）所示）。

3.溫度補償

在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數及柵絲與試件膨脹系數的差異性會產生虛假應變輸出，測量時會產生與真實應變同數量級的誤差，因此必須采取補償溫度誤差的措施。常用的補償方法有補償塊（材料、溫度與試件相同，但不受力的試塊）補償法和橋路自補償法。

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4.應用

應變式壓力傳感器主要用于液體、氣體壓力的測量，測量壓力的范圍是104～107Pa。常見的結構形式有筒式、膜片式和組合式（如圖1-16所示）。

1.3.2 壓電式傳感器

壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產生電荷的壓電效應為轉換原理的傳感器。壓電式傳感器具有體積小、質量輕、工作頻帶寬、信噪比高和結構簡單等特點，因此在各種動態力、機械沖擊、振動的測量，以及聲學、醫學、力學和宇航等方面得到了非常廣泛的應用。

1.壓電效應

某些晶體在一定方向上受到外力作用時，內部將產生極化現象，同時在晶體的兩個相對表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，晶體又恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，如圖1-17所示。

具有壓電效應的物質很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導體等。其中，石英晶體的壓電系數穩定性好、機械強度高、絕緣性能好，一般都作為標準傳感器或高精度傳感器中的壓電元件。

2.測量電路

當壓電元件受到外力作用時會產生電荷，壓電元件可以看成是一個電荷發生器，同時也是一個電容器。因此，可以把壓電元件等效為一個電荷源與電容相并聯，或等效為一個電壓源與電容相串聯。

壓電傳感器的測量電路前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止因為電荷迅速泄漏而增加測量誤差，因此使用時需要設置前置放大器把傳感器的微弱信號放大。前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種形式。

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3.應用

壓電式傳感器常用形式為荷重墊圈式，它由基座、蓋板、壓電材料、電極及引出插頭等組成。這種傳感器可以用來測量機床動態切削力及各種機械設備所受的沖擊力，如圖1-18所示。