3.2　应变式压力（差压）变送器

3.2.1　应变效应及压阻效应

图1-3-1为电阻应变片结构图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成压力敏感栅1，用黏合剂贴在绝缘的基片2上，敏感栅上覆盖保护片3。电阻丝较细（0.015～0.06mm），其两端焊有低阻镀锡粗铜丝引线4，便于与转换单元连接。

1—压力敏感栅；2—基片；3—保护片；4—引线

以一根圆截面的金属丝为例，设其直径为 d ，初始电阻为

式中， R 为金属丝的初始电阻； ρ 为金属丝的电阻率； l 为金属丝的长度； S 为金属丝的横截面积。

当金属丝受轴向压力的作用被拉伸时，设长度变化Δ l ，电阻率变化Δ ρ ，直径变化Δ d ，则金属丝电阻的相对变化量为

式中， μ 为金属丝的泊松比，又称径向应变， ； ε 为轴向应变， ε =Δ l / l 。

式（1-3-2）表明，应变片电阻的相对变化取决于两个因素：①由尺寸变化引起的（1+2 μ ） ε 称为应变效应，基于应变效应的应变片组成的压力传感器称为应变式压力传感器，如金属应变片；②由材料的电阻率发生变化引起的Δ ρ / ρ 称为压阻效应，基于压阻效应的应变片组成的压力传感器称为压阻式压力传感器。

应变片使用环境可分为高温、低温、核辐射、高压及强磁场，不同的场合应选用相应的应变片。表1-3-3列出了几种电阻应变片的使用温度范围。常用的金属敏感材料为康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、铁镍铬合金等。常温下的应变片多由康铜制成，国产BPR-2压力传感器采用康铜应变片。应变片对温度变化敏感，应用时需要考虑相应温度补偿。

半导体应变片比金属应变片的灵敏度高50～100倍。体型半导体应变片将晶片按一定晶向切片、研磨，再切割成细条，粘贴于基片上。薄型半导体应变片是将半导体材料沉积在绝缘基片上或蓝宝石基片上。扩散型半导体应变片及外延型半导体应变片的基片一般采用硅基片或蓝宝石基片，常用于压阻式压力传感器中。半导体应变片的灵敏度一致性较差、温漂大、非线性严重。

表1-3-3列出了部分应变片的主要技术参数。其中PZ型为纸基丝式应变片，PJ型为胶基丝式应变片，BA、BB、BX型为箔式应变片，PBD为半导体应变片。

3.2.2　电阻应变片压力传感器的结构

（1）应变片压力传感器

应变片压力传感器以应变效应为主，采用的是金属应变片。通常粘贴在弹性变形体上，对形变敏感。常见的变形体有筒式、膜片式、振梁式、杆式、双铰链式和剪切杆式等。

筒式压力传感器如图1-3-2所示。

通常在薄壁筒圆周方向上贴有两只应变片作为工作片，使其感受筒表面的切应变（拉伸应变）；另两只贴在筒的实心部分，不发生应变，只作温度补偿用。4只应变片组成测量电桥，当被测压力为零时，测量电桥平衡，当压力作用于筒壁内腔时，失去平衡的电桥将产生电信号输出。

图1-3-3所示的弹性元件是平膜式，被测压力直接作用于膜片下方，应变片贴在膜片的上方。膜片受压向上凸起变形后，靠近边缘部分径向应变较大，为压缩应变；而切向应变较小，中心部分径向和切向应变均较大，且为拉伸应变。

根据应变分布情况，粘贴4只应变片，其中，2只贴在中心部位，沿切向粘贴；另2只在靠边缘部位，沿径向粘贴。4只应变片中，2只为拉伸应变，电阻增加；另2只为压缩应变，电阻减小。4只应变片组成全桥差动结构，具有最高的灵敏度和最小的非线性误差。

振梁式压力传感器如图1-3-4所示。波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件受压后，推动推杆使悬梁变形。电阻应变片粘贴在梁的根部受压应变。因为悬梁具有较大的刚性，这种组合式传感器稳定性较好，滞后较小，通常用于微小压力测量。

（2）压阻式压力传感器结构

压阻式传感器的弹性膜片为单晶硅膜片。在膜片上扩散4只应变电阻，组成一个全桥测量电路，如图1-3-5所示。压阻式压力传感器的特点是体积小、结构简单、灵敏系数大，单晶硅膜片既是弹性元件又是压敏元件，易于批量生产。有的压阻式传感器甚至将温度补偿电路、电源变换电路、放大电路集成在同一硅膜片上，既提高传感器的静态特性和稳定性，又实现传感器的微型化、集成化和智能化，成为目前广泛应用的压力传感器。压阻式压力传感器又称固态压力感测器。

压阻式压力传感器由外壳、硅杯和引线组成，如图1-3-5所示。

1—高压引压口 p 1 ；2—低压引压口 p 2 ；3—硅杯；4—单晶硅膜片；5—扩散型应变片（电阻）；6—扩散电阻引线；7—电极及引线；8—玻璃黏结剂；9—玻璃基板；10—端子

压阻式压力传感器的核心部分是一块方形的硅膜片，如图1-3-5（b）所示。在硅膜片上，利用集成电路工艺扩散4个阻值相等的电阻。图中虚线圆内为承受压力区域，靠近虚线圆心的2个电阻受拉应力，其阻值随应力增大而加大；靠近虚线边缘的2个电阻受压应力，其阻值随应力增大而减小。即 R 2 、 R 4 所感受的是正应变（拉应变）， R 1 、 R 3 所感受的是负应变（压应变）。4个电阻之间用面积较大、阻值较小的扩散电阻引线连接，构成全桥。硅片的表面用SiO 2 薄膜加以保护，并用铝质导线作为电桥的引线。因为硅膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用），所以又称为硅杯，如图1-3-5（c）所示。将硅杯和玻璃基板在高温下用玻璃黏结剂粘贴在一起，并紧密地安装在壳体中，便制成了压阻式（也叫扩散硅式或固体器件式）压力传感器。

当硅杯两侧存在压力差（ p 1 ≠ p 2 ）时，硅膜片产生变形，4个应变电阻在应力的作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡。输出的电压 U o 与膜片两侧的压差Δ p 成正比，即

U o = K （ p 1 - p 2 ）= K Δ p （1-3-3）

当 p 2 引压口敞开时，输出电压对应于“表压”，即

U o = K （ p 1 - p 2 ）= K （ p 1 - p 0 ）= Kp 表 （1-3-4）

式中， p 0 为大气压。

当 p 2 引压口处于绝缘真空时，输出电压对应于“绝对压力”，即

U o = K （ p 1 - p 2 ）= K （ p 1 - p 0 ）= Kp 绝 （1-3-5）

扩散硅的制造容易受到各种因素的影响，对温度和静压的变化非常敏感，并且是非线性关系，从而造成传感器的特性具有较大离散性，同一批号中的传感器特性存在较大的差异。变送器内的微处理器可以对扩散硅传感器的离散性和非线性进行补偿，从而开发了扩散硅传感器在HART仪表和现场总线仪表中的应用。目前厂商提供的压阻式压力传感器的种类较多，外壳材料有尼龙、陶瓷、不锈钢等；封装结构有双列直插、表面安装、印制电路板及隔离膜等；压力接口有导管及螺纹连接。

用于腐蚀性介质压力测量的压阻式压力传感器多采用隔离式结构，如图1-3-6所示。压力通过密室两边由不锈钢等材料制作的隔离膜片，经隔离液传送到被放置于密室中的单晶硅膜片，使单晶硅膜片上的扩散电阻阻值发生变化。既解决了耐腐蚀的问题，又提高了传感器引线的抗冲击和振动性能，易于实现过载保护。

1—隔离膜片；2—隔离液；3—硅杯；4—转换电路

3.2.3　智能型压力变送器

20世纪80年代初，随着计算机技术和通信技术的飞速发展，美国霍尼韦尔（Honeywell）公司率先推出了ST3000系列智能压力变送器。图1-3-7所示为智能变送器与通信器外形图。

智能式变送器的核心是微处理器，利用微处理器的运算和存储能力，可对传感器的测量数据进行计算、存储及数据处理，包括对测量信号的调整（如滤波、放大、A/D转换等）、数据显示、自动校正和自动补偿等；还可通过反馈回路对传感器进行调节，以使采集数据达到最佳。由于微处理器具有各种软件、硬件功能，因而可以完成传统变送器难以完成的工作。智能变送器降低了传感器的制造难度，极大地提高了传感器的性能。

ST3000系列智能变送器具有优良的性能及稳定性。可测量气体、液体和蒸汽的流量、压力和液位。对于被测量的差压输出4～20mA模拟信号和数字信号。

ST3000系列变送器由检测部件和电子转换部件两部分组成。其检测部件为高性能扩散硅传感器，被测过程压力或差压作用在隔离膜片上，通过密封液传到膜盒内的传感器硅片上，使其应力发生变化，因而其电阻值跟随变化。通过电桥产生与压力成正比的电压信号，再经A/D转换器转换成数字信号后送入电子转换部件的微处理器。传感器的芯片上，设置两个辅助传感元件：一个是温度传感元件，用于检测表体温度；另一个是压力传感元件，用于检测过程静压。温度和静压的模拟值同时被转换成数字信号，并送至转换部件中的微处理器。微处理器对上述信号进行转换和补偿运算后，输出相应的4～20mA模拟量信号或数字量信号。

存储器还存储所有的组态，包括设定变送器的工作参数、测量范围、线性或开方输出、阻尼时间、工程单位选择等，可向变送器输入信息数据以便对变送器进行识别与物理描述。存储器为非易失性的，即使断电，所存储的数据仍能保存完好，以随时实现智能通信。

ST3000采用DE和HART通信协议，可以与手持终端或对应过程控制系统在控制室、变送器现场或在同一控制回路的任何地方进行双向通信，具有自诊断、远程设定零点和量程等功能。

ST3000的手持通信器带有键盘和液晶显示器，可以接在现场变送器的信号端子上，就地设定或检测，也可以在远离现场的控制室中，接在某个变送器的信号线上进行远程设定及检测。

手持通信器可以进行组态、变更测量范围、校准变送器及自诊断。 /e6ikuL8MLSrgV50rJ0si9Ik10vH1UcvhK0BxsCsqt8P4rrFMAba2LEh2lt1f/K4