傳感器技術(shù)是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標志，發(fā)展迅猛，同計算機技術(shù)與通信技術(shù)一起被稱(chēng)為信息技術(shù)的三大支柱，具有巨大的應用潛力，擁有廣泛的開(kāi)發(fā)空間，發(fā)展前景也是十分廣闊。

 

傳感器的種類(lèi)也非常的多，從1883年全球第一臺傳感器被發(fā)明，到如今，傳感器的種類(lèi)已是成千上萬(wàn)。在眾多的傳感器中，壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。

 

01. 壓力傳感器簡(jiǎn)介

信息社會(huì )里，人們?yōu)榱舜龠M(jìn)社會(huì )生產(chǎn)力的向前發(fā)展，需要用傳感器來(lái)檢測許多非電量信息，如壓力、流量等等。從氣壓計等簡(jiǎn)單的指示測量到航空航天等特殊條件和環(huán)境下的高可靠、高精度壓力監測控制，其關(guān)鍵部件的壓力傳感器起決定性作用。

 

壓力傳感器(Pressure Transducer)通常由壓力敏感元件和信號處理單元組成，是能感受壓力信號，并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。

 

傳統的壓力傳感器以機械結構型的器件為主，以彈性元件的形變指示壓力，但這種結構尺寸大、質(zhì)量重，不能提供電學(xué)輸出，所以被最常應用在工業(yè)領(lǐng)域中。隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，半導體壓力傳感器也應運而生，其特點(diǎn)是體積小、質(zhì)量輕、準確度高、溫度特性好。特別是隨著(zhù)MEMS技術(shù)的發(fā)展，半導體傳感器向著(zhù)微型化發(fā)展，而且其功耗小、可靠性高。

 

隨著(zhù)科技的發(fā)展對壓力傳感器的要求一直在變化，壓力傳感器也不斷的在順勢更迭，當今世界各國壓力傳感器的研究領(lǐng)域十分廣泛，幾乎滲透到了各行各業(yè)，它的應用前景非常的廣泛。

 

02. 壓力傳感器的種類(lèi)以及原理

壓力傳感器的種類(lèi)很多，根據不同的分類(lèi)標準可以分成不同種類(lèi)。本文介紹一下最為常見(jiàn)的五種壓力傳感器：

 

 

1、壓阻式力傳感器

 

電阻應變片是壓阻式應變傳感器的主要組成部分之一。電阻應變片的工作原理是吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產(chǎn)生阻值變化的現象，俗稱(chēng)為電阻應變效應。

 

 

壓阻壓力傳感器一般通過(guò)引線(xiàn)接入惠斯登電橋中。平時(shí)敏感芯體沒(méi)有外加壓力作用，電橋處于平衡狀態(tài)（稱(chēng)為零位），當傳感器受壓后芯片電阻發(fā)生變化，電橋將失去平衡。若給電橋加一個(gè)恒定電流或電壓電源，電橋將輸出與壓力對應的電壓信號，這樣傳感器的電阻變化通過(guò)電橋轉換成壓力信號輸出。電橋檢測出電阻值的變化，經(jīng)過(guò)放大后，再經(jīng)過(guò)電壓電流的轉換，變換成相應的電流信號，該電流信號通過(guò)非線(xiàn)性校正環(huán)路的補償，即產(chǎn)生了與輸入電壓成線(xiàn)性對應關(guān)系的輸出信號。

 

2、陶瓷壓力傳感器

 

陶瓷壓力傳感器基于壓阻效應，壓力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片產(chǎn)生微小的形變，厚膜電阻印刷在陶瓷膜片的背面，連接成一個(gè)惠斯通電橋，由于壓敏電阻的壓阻效應，使電橋產(chǎn)生一個(gè)與壓力成正比的高度線(xiàn)性、與激勵電壓,也成正比的電壓信號，標準的信號根據壓力量程的不同標定為2.0/3.0/3.3mV/v ,等，可以和應變式傳感器相兼容。

 

 

3、擴散硅壓力傳感器

擴散硅壓力變送器是把帶隔離的硅壓阻式壓力敏感元件封裝于不銹鋼殼體內制作而成。它能將感受到的液體或氣體壓力轉換成標準的電信號對外輸出。

 

擴散硅壓力傳感器工作原理也是基于壓阻效應，利用壓阻效應原理，被測介質(zhì)的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化，利用電子線(xiàn)路檢測這一變化，并轉換輸出一個(gè)對應于這一壓力的標準測量信號。廣泛應用于供/排水、熱力、石油、化工、冶金等工業(yè)過(guò)程現場(chǎng)測量和控制。
 

 

 

4、藍寶石壓力傳感器

 

利用應變電阻式工作原理，采用硅-藍寶石作為半導體敏感元件，具有無(wú)與倫比的計量特性。因此，利用硅-藍寶石制造的半導體敏感元件，對溫度變化不敏感，即使在高溫條件下，也有著(zhù)很好的工作特性;藍寶石的抗輻射特性極強;另外，硅-藍寶石半導體敏感元件，無(wú)p-n漂移。

 

 

5、壓電式壓力傳感器

它的敏感元件是用壓電材料制作而成的。壓電效應是壓電傳感器的主要工作原理，那么何為壓電效應呢？壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應解釋為：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內部會(huì )產(chǎn)生極化現象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會(huì )恢復到不帶電的狀態(tài)。逆壓電效應解釋為：當作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失。

 

壓電壓力傳感器就是當壓電材料受到外力作用時(shí)表面形成電荷，電荷通過(guò)電荷放大器、測量電路的放大以及變換阻抗之后，就會(huì )被轉換為與受外力正比關(guān)系的電量輸出。從中可以知道必須外力作用下，壓電壓力傳感器才能工作，所以它也只能應用在動(dòng)態(tài)測量中。

 

 

03. 壓力傳感器應用實(shí)例

1、壓力傳感器在稱(chēng)重系統中的應用 

在工業(yè)控制技術(shù)的商用稱(chēng)重系統中，壓力傳感技術(shù)越來(lái)越多的被應用。在很多壓力控制過(guò)程中，經(jīng)常需要采集壓力信號，轉換成能夠進(jìn)行自動(dòng)化控制的電信號。以壓力傳感器制作的壓力控制裝置一般稱(chēng)為電子稱(chēng)重系統，電子稱(chēng)重系統作為各種工業(yè)過(guò)程中物料流動(dòng)的在線(xiàn)控制工具顯得越來(lái)越重要。電子稱(chēng)重系統既能組合在產(chǎn)品制造過(guò)程中優(yōu)化生產(chǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能把有關(guān)生產(chǎn)過(guò)程中物料流動(dòng)的數據加以采集并傳送到數據處理中心，作為在線(xiàn)庫存控制和財務(wù)結算之用。

 

在稱(chēng)重的過(guò)程自動(dòng)化控制中，要求壓力傳感器不僅能感知重力信號，而且其性能必須可靠、動(dòng)態(tài)響應性要好、抗干擾性能要好;壓力傳感器提供的信號經(jīng)檢測系統可以直接顯示、記錄打印、存儲或用于反饋調節控制。通過(guò)集成技術(shù)將壓力傳感器與測量線(xiàn)路集成在-起，使得整個(gè)裝置的體積大大減小;另外屏蔽技術(shù)的發(fā)展，也將使得稱(chēng)重壓力傳感器的抗干擾能力得到保障，使得稱(chēng)重過(guò)程的自動(dòng)化控制程度進(jìn)一步得到提高。

 

 

 

2、壓力傳感器在石化行業(yè)中的應用

 

壓力傳感器是石化行業(yè)自動(dòng)控制中使用最多的測量裝置之一。在大型的化工項目中， 幾乎包含了所有壓力傳感器的應用:差壓、絕壓、表壓、高壓、微差壓、高溫、低溫，以及各種材質(zhì)及特殊加工的遠傳法蘭式壓力傳感器。幾乎石化行業(yè)對壓力傳感器的需求主要集中在可靠性、穩定性和高精度3個(gè)方面。其中，可靠性和許多附加需求，如，量程比、總線(xiàn)類(lèi)型等，依賴(lài)變送器的結構設計、機械加工工藝水平和結構材料。壓力變送器的穩定性和高精度則主要由壓力傳感器的穩定性和測量精度保證。

 

與壓力變送器的測量精度相對應的是壓力傳感器的測量精度和響應速度，與壓力變送器的穩定性相對應的是壓力傳感器的溫度特性和靜壓特性以及長(cháng)期穩定性。石化行業(yè)對壓力傳感器的需求就體現在測量精度、快速響應、溫度特性和靜壓特性、長(cháng)期穩定性4個(gè)方面。

 

 

3、壓力傳感器在水處理中的應用

我國的環(huán)保水處理行業(yè)，近些年得到快速的發(fā)展，并且未來(lái)前景廣闊。在供水和污水處理工藝中有賴(lài)于使用壓力傳感器為系統保護和質(zhì)量保證提供重要控制和監測手段。
 

 

 

4、壓力傳感器在醫療行業(yè)中的應用

隨著(zhù)醫療設備市場(chǎng)的發(fā)展，對壓力傳感器在醫療行業(yè)中使用提出了更高的要求,如精度、可靠性、穩定性、體積等都需要加以改進(jìn)。壓力傳感器在微創(chuàng )導管消融術(shù)和體溫傳感器測量中有著(zhù)較好的應用。

      

微創(chuàng )手術(shù)不僅可以減少手術(shù)部位的創(chuàng )傷，而且大大減輕患者的疼痛，恢復過(guò)程也很快。能達到這樣的要求，除了醫生的手術(shù)操作經(jīng)驗之:外， 還與各種醫療監測設備?，F在很多用于此操作的醫療器械都是微小的，像各種各樣的導管和消融設備。導管包括熱稀釋導管、尿道管、食管導管和中心靜脈導管和顱內壓力容器等,它們除具有導電功能，導管在溫度或壓力傳感器，患者的病理檢查和微創(chuàng )手術(shù)的順利進(jìn)行提供了重要保障,溫度和壓力參數是成功操作的關(guān)鍵參數。

      

傳感器能夠放置在靠近患者的位置對于許多應用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，比如在透析應用中，準確地測量透析液和靜脈壓力就非常重要。壓力傳感器必須能夠精確地監測透析液和血液的壓力以確保其維持在所設定的范圍內。

      

此類(lèi)型應用需求傳感器必須外形小巧且能夠耐受液體介質(zhì)。在許多情況下，與液體介質(zhì)不兼容的傳感器需要額外安裝部件來(lái)保護它，增加了產(chǎn)品的體積、費用以及復雜性。液體介質(zhì)耐受力在監測病人呼吸時(shí)顯得特別重要，因為此處的傳感器必須能夠承受病人的咳嗽和呼出的潮濕空氣。

 

 

 

04. 壓力傳感器的產(chǎn)業(yè)鏈構成

 

傳感器創(chuàng )業(yè)鏈大致可分為研究與開(kāi)發(fā)→設計→制造→封裝→測試→應用等環(huán)節。壓力傳感器的上游原材料主要有敏感元件、轉換元件等電子元件，其下游主要是電子通信、航空、汽車(chē)、自控生產(chǎn)、家電等領(lǐng)域。我們來(lái)看一張圖：

 

 

上游技術(shù)壁壘高，企業(yè)群龍無(wú)首

壓力傳感器產(chǎn)業(yè)的上游是由生產(chǎn)其原材料的企業(yè)組成。傳感器是屬于應用型的產(chǎn)品，它必須結合應用場(chǎng)景才能發(fā)揮其作用，所以下游應用企業(yè)的發(fā)展和需求直接影響上游企業(yè)的布局。

 

雖然傳感器技術(shù)在不斷的進(jìn)步，但由于我國傳感器產(chǎn)業(yè)起步較，導致我國傳感器與傳感器技術(shù)多依賴(lài)進(jìn)口。就壓力傳感器而言，我國內業(yè)界理論水準與國際水平并無(wú)多大差距，但基礎技術(shù)，包括材料技術(shù)、制造設備、測試技術(shù)和可靠性研究等，與國際水平還是有一定差距，這些因素也直接導致了上游企業(yè)的發(fā)展緩慢，技術(shù)是發(fā)展的第一生產(chǎn)力，但大多先進(jìn)技術(shù)都掌握在外國企業(yè)手中，壓力傳感器屬于高端產(chǎn)品技術(shù)壁壘高，國內只有少數企業(yè)能生產(chǎn)。大多是中小型企業(yè)，從傳感器創(chuàng )業(yè)鏈來(lái)看，大多數企業(yè)都是從制造開(kāi)始，做著(zhù)類(lèi)似代工的工作。

 

但隨著(zhù)國家政策對傳感器產(chǎn)業(yè)研發(fā)的重視，國家將鼓勵、支持和培育未來(lái)我國也將出現產(chǎn)值超 10 億元的行業(yè)龍頭企業(yè)。

 

下游應用場(chǎng)景百花齊放，造就千萬(wàn)機遇

在基礎科學(xué)研究中，傳感器具有突出的地位。例如，在開(kāi)拓新能源新材料等具有遠望作用的各種尖端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場(chǎng)和超弱磁場(chǎng)答。顯然，要獲取大量人類(lèi)感官無(wú)法獲取的信息，沒(méi)有相應的傳感器是不可能的。許多基礎科學(xué)研究的障礙，首先就在于對研究對象的信息獲馭存在困難，而些新機理和尚靈敏度的檢測儀器的出現，往往會(huì )導致該領(lǐng)域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科抒發(fā)的先驅。

 

在以前壓力傳感器主要應用在增壓缸、增壓器、氣液增壓缸、氣液增壓器、壓力機，壓縮機，空調制冷設備等領(lǐng)域。工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道、家電等行業(yè)。

 

現如今，處于風(fēng)口的物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的整個(gè)生態(tài)都將會(huì )是壓力傳感器的潛在應用市場(chǎng)。物聯(lián)網(wǎng)興起了一個(gè)智能化時(shí)代，隨之而來(lái)被大眾所知的概念像智慧城市、智慧交通、智慧工業(yè)、智能家居、智慧農業(yè)、智慧醫療等等，這些領(lǐng)域的發(fā)展全都離不開(kāi)傳感器這個(gè)助推器，壓力傳感器也必定得到更加廣的應用場(chǎng)景和更強的需求。

 

不論是壓力傳感器上游企業(yè)還是下游企業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)百花齊放的應用場(chǎng)景，都將成為一個(gè)非常大的機遇，在機遇爆發(fā)之時(shí)是否能抓住是企業(yè)發(fā)展的方向。

 

05. 壓力傳感器應往哪走？

小型化：目前市場(chǎng)對小型壓力傳感器的需求越來(lái)越大，這種小型傳感器可以工作在極端惡劣的環(huán)境下并且只需要很少的保養和維護,對周?chē)沫h(huán)境影響也很小，可以放置在人體的各個(gè)重要器言中收集資料,不影響人的正常生活。如美國Entran公司生產(chǎn)的量程為2 ~ 500PSI的傳感器直徑僅為1.27mm,可以放置在人體的血管中而不會(huì )對血液的流通產(chǎn)生大的影響。

 

集成化：壓力傳感器已經(jīng)越來(lái)越多的與其它測量用傳感器集成以形成測量和控制系統。集成系統在過(guò)程控制和工廠(chǎng)自動(dòng)化中可提高操作速度和效率。

 

智能化：由于集成化的出現，在集成電路中可添加-些微處理器使得傳感器具有自動(dòng)補償、通訊、自診斷、邏輯判斷等功能。廣泛化壓力傳感器的另一個(gè)發(fā)展趨勢是正從機械行業(yè)向其它領(lǐng)域擴展例如:汽車(chē)元件、醫療儀器和能源環(huán)境控制系統。

 

標準化：傳感器的設計與制造已經(jīng)形成了一定的行業(yè)標準。如ISO 國際質(zhì)量體系;美國的ANSI、ASTM標準、俄羅斯的ГOCT、日本的J IS 標準。

 

06. 總  結

壓力傳感器作為傳感器中的元老，它有著(zhù)非常廣泛的應用市場(chǎng)和相對完善的技術(shù)經(jīng)驗積累。壓力傳感器只是傳感器中的一種，隨著(zhù)萬(wàn)物互聯(lián)的不斷構建，整個(gè)傳感器行業(yè)在未來(lái)的應用場(chǎng)景都有著(zhù)非常大的想象空間，怎么去定位，怎么去投入研究，怎么對產(chǎn)品進(jìn)行轉型，是企業(yè)應該根據整個(gè)市場(chǎng)分析來(lái)做出思考和判斷的。

 

通過(guò)這篇文章，對壓力傳感器以及它的產(chǎn)業(yè)鏈做了一個(gè)全面的了解，往后看是從歷史中吸取經(jīng)驗，往前看是從趨勢中確定方向抓住機遇。