应变式、电容式、压阻式、谐振式压力传感器怎么区分?温度补偿做法有何不同?

客户提问

“现场测 0~1.6 MPa 的气体压力,供应商报了应变式、电容式、压阻式,还有一种谐振式的,报价差好几倍。这几种差在哪儿?为什么每份说明书都写温度补偿,做法还不完全一样?”

先把四种敏感原理讲清楚

  • 应变式(金属应变片、溅射薄膜):压力使弹性体产生应变,应变计电阻随之变化,靠惠斯通全桥输出。灵敏度约 2 mV/V,输出幅度小,对信号调理与抗干扰设计要求高;优点是敏感层与弹性体结合牢固,长期稳定性好。
  • 压阻式(扩散硅、单晶硅 MEMS):利用半导体压阻效应,灵敏度比金属应变片高出一到两个数量级,输出幅度大,易做成小型化、充油隔离结构,成本好控制;代价是掺杂层电阻温度系数大,温漂明显。
  • 电容式:压力改变极板间距,电容值随之变化,再由电容—数字转换电路读出。温漂来源是介电常数的温度系数与结构件热膨胀失配,通常用差动对称结构配合比值测量抑制。
  • 谐振式:压力改变谐振子固有频率,输出接近准数字量,分辨力与长期稳定性突出;难点是加工与封装工艺复杂、成本高,多见于标准器与高准确度测量。

为什么温度补偿的路子不一样

  1. 应变式:弹性模量随温度上升而下降,带来灵敏度漂移。做法是在桥路中串入镍电阻修灵敏度、并入铜电阻修零点,或用激光调阻逐台修正。
  2. 压阻式:温漂主要来自掺杂层电阻温度系数。做法是芯片上集成测温元件,用多项式或分段查表在微控制器里修正,要求高的产品做全温区多点标定。
  3. 电容式:靠差动结构与参考电容的比值测量抵消共模温漂,残余误差再由软件二阶修正。
  4. 谐振式:设置工作谐振子与参考谐振子,取差频,把弹性模量的温度影响当作共模量抵消。

工程上的权衡与维护

选型不必纠结哪种原理更高级,按精度、介质、温度范围三条主线权衡:宽温区、长期稳定性优先偏向应变式或谐振式;成本敏感、量程小、批量大偏向压阻式;腐蚀性介质与低压微差压,电容式结构优势更明显。软件补偿依赖标定数据,超出标定温区就可能失效,选型时要问清补偿方式。

按 GB/T 15478 做性能试验、按 JJG 860 与 JJG 882 做检定时,建议把温度影响试验列进验收项,日常留意传感器是否长期工作在标定温区之外。