压力传感器工作原理:压力变化是怎样变成电信号的?(压力传感器工作电压) ypxx.net

压力传感器看起来只是一个小型器件,但它完成的事情并不只是“测压力”。

被测压力进入传感器后,需要经过一系列转换,最后才能形成设备可以识别的电信号。

以常用的带隔离膜片的扩散硅压力传感器为例,这个过程可以拆成几个比较容易理解的步骤。

1. 压力首先作用在隔离膜片上

被测介质的压力首先作用在传感器前端的隔离膜片上。

隔离膜片通常采用不锈钢或合金材料,直接接触被测介质。它与内部的硅敏感膜片隔开,可以避免腐蚀介质、杂质等直接接触硅敏感膜片。

扩散硅(隔离膜片)压力传感器

当压力作用到隔离膜片上时,膜片会产生微小形变。

虽然这个形变量很小,但它已经足以继续传递压力。

2. 硅油负责把压力继续传进去

在隔离膜片和硅敏感膜片之间,充有硅油。

隔离膜片受到压力后,会挤压硅油,硅油再将压力传递到内部的硅敏感膜片。

为什么要采用硅油?

一方面,硅油性质稳定,在很宽的温度范围内都能保持接近不可压缩的状态,可以较有效地传递压力;另一方面,它与隔离膜片、硅敏感结构之间具有较好的材料相容性。

经过这一步,外部压力就通过隔离结构作用到了硅敏感膜片。

3. 硅敏感膜片发生形变

硅敏感膜片是一片经过微机械加工的硅片。

压力通过硅油作用到膜片后,膜片会发生微小形变。这个变化量与压力有关,但实际关系还会受到结构和材料特性的影响。

在硅敏感膜片的特定位置,通过半导体扩散工艺形成压阻元件。

常见结构是四个压阻元件组成惠斯通电桥。

膜片发生形变时,压阻元件所在位置受到拉伸或压缩,硅材料的电阻率随之发生变化。这种现象就是压阻效应。

换句话说,压力变化首先被转换成了压阻元件的电阻变化。

4. 电阻变化形成电压信号

惠斯通电桥,在不受压时处于接近平衡的状态,输出端电压接近零。

膜片受压后,桥臂电阻发生变化,电桥失去平衡,输出端便产生与压力变化对应的差分电压信号。

这个信号通常比较微弱,一般处于毫伏级别。

到这里,压力已经完成了从机械变化到电信号的转换。

5. 根据产品结构,对信号进一步处理

对于仅输出桥路信号的压力传感器,电桥输出就是其主要电信号。

如果产品内部集成了信号调理电路,还可以对信号进行放大、补偿,并转换成标准的工业信号。

常见形式包括:

电压输出,如 mV 级或经过放大后的 0-5V、0-10V;

电流输出,常见为 4–20mA,适合工业现场的远距离传输,抗干扰能力较强;

数字输出,如 RS485、CAN 等,可用于与控制系统通信。

信号调理电路

在这个过程中,调理电路还可以进行零点修正、温度补偿等处理,使最终输出更接近真实压力值。

需要注意的是,并不是所有压力传感器都具备这些调理和输出功能。

6.为什么有些压力传感器要采用隔离膜片?

这与被测介质和使用工况有关。

不带隔离膜片的扩散硅压力传感器,其敏感元件可能直接或通过其他结构接触被测介质,具体适用范围取决于封装和工况。

当被测介质具有腐蚀性、黏度较高,或者容易结晶、凝固时,敏感元件及其引线等结构可能受到影响。

采用隔离膜片和传压介质后,被测介质只接触外部膜片,内部硅片与介质隔离,可以扩大传感器对不同介质和工况的适应范围。

7.不同类型的压力传感器,转换方式也不同

除了扩散硅压阻式,还有电容式、压电式等压力传感器。

电容式通过压力引起的膜片位移改变电容参数;压电式则利用材料受力后产生电荷的特性。

具体原理虽然不同,但都需要先把压力转换为某种可感知的物理量,再把这种变化转换成可测量的电信号。

理解这条转换路径之后,再去看压力传感器或压力变送器规格书中的零点输出、灵敏度、非线性等参数,会更容易理解这些参数所描述的内容。

压力 → 形变 → 电阻变化 → 电桥输出

这是扩散硅压阻式压力传感器中一条比较典型的信号转换路径。