新闻中心NEWS CENTER

应变式压力变送器测压原理是什么？

发布时间：2025-10-11
浏览次数：25
文章来源：http://www.shllsensor.com

在工业生产、汽车电子、医疗设备等领域，应变式压力变送器凭借高精度、高稳定性的优势，成为测量气体、液体压力的核心设备。其测压原理并非直接 “读取” 压力数值，而是通过一套精密的 “机械 - 电学转化系统”，将无形的压力信号转化为可计量、可传输的电信号。本文将从核心技术原理、关键部件作用、信号转化流程三个维度，拆解应变式压力变送器的测压逻辑。

一、核心技术支撑：应变效应与惠斯通电桥

应变式压力变送器的测压能力，本质依赖两大基础技术 ——金属应变效应（实现 “压力→电阻变化”）和惠斯通电桥（实现 “电阻变化→电压信号”），二者共同构成了测压的 “技术基石”。

1. 金属应变效应：压力形变的 “感知密码”

所谓 “金属应变效应”，是指金属导体的电阻值会随其几何形状（长度、截面积）的变化而发生规律性改变的物理现象。具体来说：

当金属导体被拉伸时：长度变长、截面积变小，电阻值随之增大；

当金属导体被压缩时：长度变短、截面积变大，电阻值随之减小；

关键规律：在弹性形变范围内，金属电阻的变化量（ΔR/R）与导体的形变量（应变 ε，即形变程度与原长度的比值）成线性正比关系，公式可表示为：ΔR/R = K×ε（K 为应变灵敏系数，由金属材质决定，常见合金的 K 值约为 2~4）。

这一效应让 “无形的压力” 有了被感知的可能 —— 只要能将压力转化为金属的形变，就能通过电阻变化间接测量压力。

2. 惠斯通电桥：微小电阻变化的 “放大器”

应变片的电阻变化通常非常微小（仅零点几到几欧姆），直接测量难度大。而惠斯通电桥电路的核心作用，就是将这种微小的电阻变化转化为易于测量的电压信号，同时具备抑制干扰、提高精度的功能。

典型的惠斯通电桥由 4 个电阻臂（R1、R2、R3、R4）组成，其中 2~4 个电阻臂会接入应变片（称为 “工作应变片”），剩余电阻臂为固定电阻（称为 “补偿应变片”，用于抵消温度、振动等干扰）。电路接入稳定的直流电源（如 5V、10V）后：

无压力时：电桥平衡，4 个电阻臂的电阻值满足 R1/R2 = R3/R4，输出端电压为 0；

有压力时：工作应变片电阻变化，电桥平衡被打破，输出端会产生与电阻变化量（即压力）成正比的电压信号（通常为毫伏级，如几十到几百毫伏）。

通过这一转化，原本难以捕捉的电阻变化，变成了可直接采集的电压信号，为后续的信号处理奠定基础。

二、关键部件：测压系统的 “硬件核心”

应变式压力变送器的测压过程，需要多个部件协同工作，每个部件都承担着特定的功能，共同构成完整的 “压力→电信号” 转化链路。

1. 弹性元件：压力的 “接收与传导者”

弹性元件是变送器直接与被测介质接触的部件，相当于压力的 “第一接收器”，其作用是将压力转化为可控的机械形变。常见的弹性元件有三种：

金属膜片：薄圆形金属片（材质多为不锈钢、哈氏合金），压力作用时会向低压侧弯曲，形变程度与压力成正比，适用于中低压测量（0~10MPa）；

弹性筒：中空的金属筒（如弹簧管、波纹管），压力作用时会发生轴向或径向形变，强度更高，适用于高压测量（10~100MPa）；

弹性梁：条形金属梁，压力通过传压杆传递到梁上，使梁发生弯曲形变，适用于微压测量（0~1kPa）。

弹性元件的关键要求是 “弹性恢复性”—— 压力消失后能完全恢复原状，避免永久形变导致测量误差。

2. 应变片：形变的 “电阻转化器”

应变片是贴附在弹性元件形变区域的核心部件，通常由 “基底 + 敏感栅 + 引线” 三部分组成：

基底：绝缘材料（如聚酰亚胺薄膜），作用是固定敏感栅，同时隔离弹性元件与敏感栅，避免短路；

敏感栅：金属箔或金属丝（如铜镍合金、镍铬合金），按特定形状（如栅格状）刻制，是产生电阻变化的核心；

引线：铜线，用于将敏感栅接入惠斯通电桥电路。

实际应用中，应变片会按 “对称原则” 粘贴 —— 例如在弹性膜片的正面贴 2 个 “受拉应变片”，背面贴 2 个 “受压应变片”，这样既能提高测量灵敏度，又能抵消温度变化对电阻的影响（温度变化会导致所有应变片电阻同步变化，电桥可自动抵消）。

3. 信号调理电路：电压信号的 “优化者”

惠斯通电桥输出的毫伏级电压信号还需经过信号调理电路处理，才能转化为工业标准信号（如 4~20mA 电流信号、0~5V 电压信号），方便后续设备（如 PLC、显示屏）接收和使用。信号调理电路的核心功能包括：

放大：将毫伏级信号放大到伏级，提高抗干扰能力；

滤波：过滤电路中的电磁干扰（如工业现场的变频器干扰），确保信号稳定；

温度补偿：通过热敏电阻等元件，抵消温度变化对弹性元件、应变片的影响，避免零点漂移；

线性化修正：由于弹性元件的形变可能存在微小非线性，电路会通过软件或硬件修正，确保输出信号与压力完全线性对应。

三、完整测压流程：从压力输入到信号输出的 5 步转化

结合上述技术原理和关键部件，应变式压力变送器的测压过程可拆解为 5 个清晰的步骤，形成完整的 “压力→电信号” 闭环：

步骤 1：压力接入 —— 被测介质传递压力

被测介质（气体、液体）通过变送器的压力接口进入测量腔，直接作用在弹性元件（如金属膜片）上。此时，弹性元件会受到与介质压力成正比的作用力。

步骤 2：形变产生 —— 弹性元件转化压力为形变

在压力作用下，弹性元件发生弹性形变：若介质压力高于大气压（表压测量），膜片会向腔外弯曲；若测量绝对压力（以真空为基准），膜片则会向真空侧弯曲。形变的程度严格遵循 “压力越大，形变越大” 的线性关系。

步骤 3：电阻变化 —— 应变片感知形变

贴附在弹性元件上的应变片随弹性元件一起形变：受拉区域的应变片电阻增大，受压区域的应变片电阻减小。电阻变化量与弹性元件的形变量（即压力）成正比，完成 “压力→电阻变化” 的转化。

步骤 4：电压输出 —— 惠斯通电桥转化电阻变化

应变片接入的惠斯通电桥电路，因电阻变化打破平衡，输出与电阻变化量成正比的毫伏级电压信号。例如，当压力为满量程时，输出电压可能达到 200mV（具体值由电源电压和应变片灵敏度决定）。

步骤 5：信号优化 —— 调理电路输出标准信号

毫伏级电压信号进入信号调理电路，经过放大、滤波、温度补偿和线性化修正后，转化为工业标准信号（如 4~20mA 电流信号：压力为 0 时输出 4mA，满量程时输出 20mA）。最终，标准信号通过电缆传输到 PLC、显示屏等设备，实现压力的实时监测与控制。

四、应用场景背后的原理适配

应变式压力变送器的测压原理，决定了其在不同场景中的适配性：

工业管道压力监测：弹性元件采用耐腐蚀的哈氏合金膜片，应对化工介质的腐蚀；信号调理电路具备抗电磁干扰设计，适应工业现场的复杂环境；

汽车发动机油压测量：采用小型化弹性筒，耐受发动机舱的高温（-40~125℃）；通过温度补偿电路，避免油温变化导致的误差；

医疗设备血压监测：使用超薄金属膜片，实现微压（0~300mmHg）的高精度测量；信号调理电路采用低功耗设计，适配便携式医疗设备。

正是基于 “应变效应 + 惠斯通电桥” 的核心原理，以及各部件的精准协同，应变式压力变送器才能在众多场景中实现 “高精度、高稳定、高可靠” 的压力测量，成为工业自动化与智能设备的关键感知部件。

![应变式压力变送器测压原理示意图]

（建议配图：包含 “弹性元件 - 应变片 - 惠斯通电桥 - 信号调理电路” 的完整结构示意图，标注各步骤的压力、形变、电阻变化、电压信号流向）

高精度与高灵敏度：应变式压力传感器典型精度可达 0.05-0.1% FS，优于陶瓷压阻式的 0.2% FS，灵敏度达 2mV/V，比扩散硅高 50%，还具有 1με 的微应变检测能力。例如隆旅 PTL402 压力变送器，测量精度可达 ±0.5% FS。

上一篇：防腐液位变送器的优势以及应用？
下一篇：动态扭矩传感器和静态扭矩传感器的区别是什么？