压力传感器基础 ——入门培训 (V1.0)

长沙泽天电子科技有限公司

2011 年 8 月 16 日

主要内容1. 压力传感器与压力变送器2. 压力传感器的应用场合3. 压力传感器市场与发展方向4. 压力传感器的分类5. 几种常用的压力传感器类型6. 压力传感器的原理7. 压力传感器的主要参数8. 压力变送器产品9. 压力变送器生产与使用中的注意事项

工程技术上所称的“压力”实质上就是物理学里的“压强”，定义为均匀而垂直作用于单位面积上的力。基本单位为： Pa （帕斯

卡）， KPa 、 MPa 、 Bar （巴）

1.1 什么是压力？

1. 压力传感器与压力变送器

1Bar =100KPa1 工程大气压＝ 1Kgf/cm2 = 98.0665KPa1 标准大气压＝ 101.325KPa

1.2 压力传感器一种能将压力这一被测量转换成与之有一定的规律的、便于后续检测、传输或处理的部件或装置。

1.4 差压变送器与液位变送器

习惯上，我们把压力传感器和压力变送器都称为压力传感器！

2. 压力传感器的应用领域压力传感器的测量对象流体（液体、气体、溶体）

通常把压力传感器的测量对象叫做被测介质

压力传感器广泛应用于能源工业、航天航空、交通运输、业冶金机械制造、轻工纺织、城市供水污水处理、环保、气象、家用电器 ...

2.1 航空航天

气瓶压力传感器服装压力传感器

1.3 压力变送器将压力传感器的输出信号，经过电路转换成标准的电信号（电流、电压、频率等）输出。

2.2 在汽车上的应用

2.3 石油和天然气

2.4 食品和医疗

2.5 工业控制

2.6 污水处理用于液位测量的深水传感器

高纯水系统反渗透控制高压控制，低密度聚合物反应器过程控制进 / 出口冷却压力汽车喷漆房化学废物处理业过程控制废物沼气池泵站流量测量

3. 压力传感器市场与发展方向 压力是工业过程控制的第一大参数，压力传感器是传感器中的重要门类，其产值占世界传感器市场额的第一位。

2003 年世界压力传感器市场总额达到 350亿美元， 2012 年预计达 600 亿美元。 在市场销售方面，美国居首位，代表公司为库力特、霍尼韦尔、摩托罗拉、福克斯波罗、罗斯蒙特公司等。

3.1 国内市场 1

国内应用领域 应用分布 主要用途市场需求量(万只 )

占压力市场总比率

能源工业

17个陆、海上油田，8个气油田，69个大型矿区，360多个大型电厂，1000 多家中型炼油厂

发电机组控制，电力调度与控制，水文测报系统，城市供水，油田、采煤界面安全，

核电站等数字采集与控制

1600 19.2%

航天航空交通运输业

120个港口码头，6000艘远洋船，3万多条拖船，300万辆 /年汽车，20多个飞机制造加工

基地

发动机系统监测，远洋货船，内燃机车，车站供水，

气检测，汽车电喷等 1300 15.6%

冶金机械制造

220多个冶金企业，300 多个大型机床厂

高炉自控，冶炼过程控制， 自控车库 1210 14.5%

国内市场 2

国内应用领域 应用分布 主要用途

市场需求量(万只 )

占压力市场总比率

轻工 纺织

1000多家食品加工厂，5000多个酒厂，300 多个纺机厂

食品生产，酒容器计量，生产过程控制，纺织并条机，

传动系统1180 14.2%

医疗卫生

50多家医疗器械厂，260 多家制药厂

血压计，医疗诊断与检测，

药品制造加工800 9.6%

环保气象

1900多个气象站，5000多个水文检测站点，

30多个重型锅炉厂，3 万多个废水、气排放点

气象检测，废气、水检测，锅炉检测 300 3.6%

国内市场 3

国内应用领域 应用分布 主要用途

市场需求量(万只 )

占压力市场总比率

家用电器 120多家家电生产企业

变频空调，中央空调，吸尘器，洗衣机，饮水机，

热水器，家用冰箱等

200 2.4%

重大工程

300多个重点工程 / 年 西气东输，南水北调，三峡工程，长江、黄河

防汛600 7.2%

其它类 300多个科研机构，100 多个高效农业示范区

科研，农业等500 6%

3.3 压力传感器的发展方向小型化 如美国 Entran 公司生产的量程为 2 ～ 500PSI 的传感器 , 直径仅为 1. 27mm 。 集成化与其它测量用传感器集成以形成测量和控制系统。　　智能化集成微处理器 , 使得传感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。 广泛化从机械行业向其它领域扩展 , 例如 : 汽车元件、医疗仪器和能源环境控制系统。 　　标准化形成了一定的行业标准。如 ISO 国际质量体系 ; 美国的 ANSI 、 ASTM 标准、日本的 J IS 标准。

4. 压力传感器的分类

应变式电容式差动变压器霍尔压电

4.1 按测量原理分类：

扩散硅溅射膜应变片陶瓷电容式蓝宝石

4.2 按物理介质分类

4.3 按压力类型分类大气压力 :指地球表面上的空气柱重量所产生的压力。

绝压（ Absolut pressure ） :绝对压力，指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以绝对真空为基准，又称总压力或全压力

表压（ Gauge pressure ）：指作用于物体表面积上的全部压力，其零点以当地大气压为参考点。

密封表压：密封表压是在传感器内部封有一个标准大气压时的压力值。

差压（ Differential pressure ）：任意两个压力之差称为差压。如静压式液位计和差压式流量计就是利用测量差压的大小来测量液位和流体量的大小的。

5. 几种常用的压力传感器类型

扩散硅压阻式陶瓷压阻压力溅射薄膜压力电容耐高温特性的蓝宝石压力

5.1 目前应用较为广泛的压力传感器

5.2 常用压力传感器特性比较原理和工艺 优点 缺点

扩散硅

●在温度补偿范围内（ 0—50℃或 0—70℃）性能稳定●小量程和绝压优于其它类型●灵敏度高

●低于 0℃、高于 80℃后，温度 稳定 性会大幅度降低

●不能承受动态压力●膜片易受损伤

厚膜陶瓷●成本低●抗腐蚀性好●使用温度宽

●输出跳动，不易读数●压力下降时回零慢、迟滞大●陶瓷膜片薄而脆、易碎

电容式●量程全●抗过载能力强●性能稳定

●体积大●不能承受动态压力●高温需充硅油

应变片贴片 ●低成本●成熟传统工艺

●由胶引起的时漂大●靠手工生产离散性大

溅射薄膜●扩散硅、厚膜、电容、应变片所固有的缺点全都没有●全球公认的长期稳定性和可靠性

●不适于小量程测量●成本高

压阻效应：半导体材料具有各向异性，各个晶向晶面的应变系数不同。通过半导体工艺在半导体材料上制作出一个惠斯通电桥，在受到外力以后扩散在半导体上的电阻值会发生变化。

6. 压力传感器的原理

6.1 扩散硅、压阻式压力传感器的工作原理

传感器芯片示意图

力敏芯片力敏芯片

芯片基底是（ 3×3 ） mm 的正方体硅杯 , 是利用磨抛的硅片的正面扩散惠斯登电桥的四个电阻 , 在背面腐蚀成硅杯 , 通过高温氧化 - 光刻 - 离子注入 - 蒸铝 - 腐蚀等的工艺流程制作的压阻芯片

溅射薄膜压力传感器是利用电阻应变效应工作的，与传统应变式压力传感器属于同一原理。两者的主要差别制作工艺上。溅射薄膜压力传感器延用了测量压力的金属弹性膜片原理，应用离子束溅射和刻蚀工艺，将应变电桥直接制作在金属测压膜上，由于没有活动部件，抗震动和抗冲击能力很强，可用于恶劣的环境。

生产厂家 型号 最大激励 输出电压 精度 工作温度范围

STI STI8020 2mA 100mV 0.2级 -40℃ ～ 125℃

汇博 HB2105 1.5mA 50mV 0.5级 -40℃ ～ 100℃

SMI SM5102 3mA 275mV 0.2级 -40℃ ～ 125℃

MEAS P6393 2mA 150mV 0.1级 -50℃ ～ 150℃

NOVA P883 2mA 133mV 0.1级 -40℃ ～ 125℃

Rampak RGI-M 3mA 200mV 0.2级 -40℃ ～ 150℃

KELLER PA-10 5mA 900mV 0.1级 -55℃ ～ 150℃

厂家芯片

6.2 薄膜压力传感器工作原理

6.3 薄膜传感器与半导体压阻式传感器的比较

6.4 陶瓷压阻式压力传感器 1. 陶瓷是一种公认的高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击合振动的材料。

2. 低价格的陶瓷传感器将是压力传感器的发展方向，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势，在中国也越来越多的用户使用陶瓷传感器代替扩散硅压力传感器。

3. 陶瓷压力传感器没有液体的传递，压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接成一个惠斯通电桥（闭桥），由于厚膜电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的电压信号

6.5 蓝宝石压力传感器

蓝宝石压阻式压力传感器以机械性能高度稳定的人造蓝宝石为承压材料。其主要特点是长期稳定性好，温度范围宽（允许介质温度－ 196 ～ 400℃ ），抗震动。主要用于介质温度特别低或特别高的场合及航天、航空和军事用途。

7. 压力传感器的主要参数

非线性、灵敏度、重复性、迟滞、分辨率、漂移、稳定性

7.2 术语和定义

7.1 静态特性的主要技术指标有：

量程的计算公式如下：XFS =Xmax-Xmin

式中：XFS —— 量程， Pa；Xmax—— 测量范围上限值， Pa ；Xmin—— 测量范围下限值， Pa 。

量程（ XFS ）

满量程输出的计算公式如下：YFS=Ymax-Ymin

式中：YFS ——满量程输出值， V；Ymax—— 工作特性所决定的最大输出值， V ；Ymin—— 工作特性所决定的最小输出值， V 。

满量程输出（ YFS ）

线性的计算公式如下：

ξL=±(ΔYL)max ×100%

YFS

式中 :ξL——线性，% ；(ΔYL)max—— 实际平均特性曲线相对平移端基直线的最大偏差， V 。

线性（ ξL ）

回差的计算公式如下：

ξH=│(ΔYH)max│ ×100%

YFS

式中：ξH ——回差，% ；(ΔYH） max——实际正行程平均特性曲线相对实际反行程平均特性曲线的最大偏差， V 。

回差（ ξH ）

灵敏度采用下式计算： Sv=1000×Yf.S/Ui

式中：Sv —灵敏度， mV/V；Ui — 试验时测得的激励电源电压值， V 。

灵敏度（ Sv ）

计算公式如下：

DO

=

│ΔY0│max ×100% /T

Yf.S

式中：DO——零点漂移，%/h (或%/d)；│ΔY0│max——试验时间内的零点输出值的最大差值。T——试验时间。

零点漂移（ DO ）

计算公式如下：

DFS

=

│ΔYFS│max ×100% /T

Yf.S0

rs——量程漂移，%/h (或%/d)；│ΔY0│max——试验时间内的满量程输出值的最大差值。

量程漂移（ DFS ）

零点温漂（ γ）

γ=YO（ t2） -yO（ t1）

×100%

YFS·（ t2-t1）式中：γ——零点温漂，%/℃；t1——试验前的室温温度，℃；t2——试验时的高温或低温温度，℃；yO（ t1 ——） 室温下测得的零点输出值（ V）；yO（ t2 ——） 试验高温或低温下测得的零点输出值（ V）。

量程温漂（ β）

β =yFS（ t2） -yFS（ t1）

×100%

YFS·（ t2-t1）式中：β——量程温漂，%/℃；yFS（ t1 ——） 室温下测得的满量程输出值， V；yFS（ t2 ——） 试验高温或低温下测得的满量程输出值， V。

1. 标准电流输出 二线制 4 ～ 20mA三线制 0 ～ 10mA

2. 标准电压输出0 ～ 5V； 1 ～ 5V； 0.5

～ 4.5V3. 无线与智能输出无线总线智能

8. 压力变送器产品8.1 公司现有主要产品 :

8.2 一种典型的压力变送器结构

1. 压力变送器：压力传感器（芯体）、接头、压环、外壳、调理电路、电器连器、导线等。螺纹接口：

1. M20×1.5 ；M12×1 、 74°锥 ；2. G1/2； G1/4 ；3. NPT1/2； NPT1/4

4. R1/2； R1/4 等等

2. 液位变送器：压力传感器（芯体） 、液位变送器壳体、调理电路、电缆1. 投入式，安装时，法兰式，插入式等等

8.3 压力变送器组成

8.4 产品命名规范

代号 产品大类

ZPM 液位

ZLM 液位

ZFM 流量

ZTM 温度

ZSB 显示仪表

ZDQ 采集模块

ZPM210 ZPM218

压力传感器

ZPM310 ZPM312 ZPM3400

压力变送器

ZPM331 ZPM33

压力变送器

ZPM3910 ZPM3912

高温压力变送器

ZPM3610 ZPM3620 ZPM3640

智能压力变送器

ZPM430 ZPM432

差压变送器

ZLM62 ZLM630 ZLM641

一体式液位变送器

ZLM620 ZLM628

分体式液位变送器

严禁压力过载 严禁用手指头，镊子、螺丝刀、铁丝等尖而硬的物体接触传感器膜片，这样会造成无法修复性损坏。

拿传感器芯体、变送器时，严禁用手拎着产品上的导线移动产品，这样会损坏导线及产品，必须用手拿住产品的主体部分，方可拿起、移动，并注意拿好，严禁跌落，损坏产品。

严禁敲打，振动、撞击、跌落、避免过大的加速度力造成损坏。

9. 压力变送器生产与使用中的注意事项

谢 谢！