1.3 压力传感器

在工业生产过程中，压力是重要的控制参数之一，被控对象经常会出现高压、低压，或是压力差等，为了达到生产过程的优质、安全、高产、低耗，并且获得良好的经济技术指标，必须对压力进行检测和控制。常用的压力测量传感器有应变式压力传感器、压电传感器等。

1.3.1 应变式压力传感器

1.电阻应变片

应变式压力传感器是通过电阻应变片将压力的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过测量电路转换为电信号的装置。电阻应变片一般由基底、敏感栅（金属丝或箔）、覆盖层和引出线四部分组成，如图1-13所示。应变片的规格可以用使用面积b×l或电阻值表示。

常用的应变片有金属应变片和半导体应变片两类，金属应变片分为金属丝式、箔式和薄膜式三种；半导体应变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型，如图1-14所示。

2.测量电路

在应变式压力传感器中最常用的测量电路是桥式电路（如图1-15（a）所示）。

为了使电桥在测量前的输出为零，应该选择四个桥臂电阻满足R1 R3=R2 R4或R1/R2=R4/R3，这就是电桥的平衡条件。由于四个电阻通常不可能刚好满足平衡条件，因此电桥都设有调零电路。调零电路由滑线变阻器RP1和控制调节范围的限流电阻R5组成。当采用交流电源时，调零电路还应增设RP2和C1来平衡电容的容抗（如图1-15（b）所示）。

3.温度补偿

在外界温度变化的条件下，由于敏感栅温度系数及栅丝与试件膨胀系数的差异性会产生虚假应变输出，测量时会产生与真实应变同数量级的误差，因此必须采取补偿温度误差的措施。常用的补偿方法有补偿块（材料、温度与试件相同，但不受力的试块）补偿法和桥路自补偿法。

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4.应用

应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量，测量压力的范围是104～107Pa。常见的结构形式有筒式、膜片式和组合式（如图1-16所示）。

1.3.2 压电式传感器

压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。压电式传感器具有体积小、质量轻、工作频带宽、信噪比高和结构简单等特点，因此在各种动态力、机械冲击、振动的测量，以及声学、医学、力学和宇航等方面得到了非常广泛的应用。

1.压电效应

某些晶体在一定方向上受到外力作用时，内部将产生极化现象，同时在晶体的两个相对表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，晶体又恢复到不带电的状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，如图1-17所示。

具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。其中，石英晶体的压电系数稳定性好、机械强度高、绝缘性能好，一般都作为标准传感器或高精度传感器中的压电元件。

2.测量电路

当压电元件受到外力作用时会产生电荷，压电元件可以看成是一个电荷发生器，同时也是一个电容器。因此，可以把压电元件等效为一个电荷源与电容相并联，或等效为一个电压源与电容相串联。

压电传感器的测量电路前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止因为电荷迅速泄漏而增加测量误差，因此使用时需要设置前置放大器把传感器的微弱信号放大。前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种形式。

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3.应用

压电式传感器常用形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、压电材料、电极及引出插头等组成。这种传感器可以用来测量机床动态切削力及各种机械设备所受的冲击力，如图1-18所示。