壓差計的感壓元件有哪些類型

更新時間：2025-09-22

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壓差計的感壓元件是直接感知并轉換壓力差的核心部件，其類型決定了壓差計的測量原理、精度、適用場景及結構形式。根據核心工作原理，感壓元件主要分為流體靜力型、彈性形變型和電參數變化型三大類，每類下包含多種具體結構，適用于不同的壓力介質（氣體 / 液體）、壓差范圍及環境條件。

一、流體靜力型感壓元件（依賴流體靜壓力差）

這類元件利用 “靜止流體中，壓力差與介質高度差成正比" 的原理工作，無需復雜機械或電子結構，屬于最基礎的感壓形式，核心是 “通過流體的物理位移體現壓差"。

1. U 型管（含改良型）

結構：一根 U 形的透明玻璃 / 塑料 tube，內部充有特定介質（如酒精、水銀、硅油等，密度根據測量范圍選擇），兩側管口分別連接兩個測量點（高壓端 P1、低壓端 P2）。
工作原理：當 P1≠P2 時，兩側介質液面產生高度差 Δh，根據公式 ΔP = ρ×g×Δh（ρ 為介質密度，g 為重力加速度），通過 Δh 計算壓差。
改良形式：

單管傾斜式：將一側管子改為傾斜狀，放大液面高度差，提升小壓差（如幾十 Pa）的測量精度。
雙杯式：U 型管兩端連接大容量 “杯狀容器"，減少因液面變化導致的杯內介質體積波動，適用于需要穩定讀數的場景。

適用場景：實驗室校準、 HVAC 風道靜壓測量、低壓氣體壓差（如潔凈室壓差），缺點是易碎、讀數依賴人工、不適用于振動環境。

二、彈性形變型感壓元件（依賴彈性材料形變）

這類元件的核心是具有彈性的金屬 / 非金屬材料，當兩側存在壓差時，材料會發生可恢復的形變（如彎曲、膨脹、收縮），通過形變的大小或位移量反映壓差。廣泛應用于機械型壓差計（如指針式），結構緊湊且可聯動機械傳動機構。

1. 膜片（Diaphragm）

結構：圓形薄片（厚度 0.1-1mm），材質可選金屬（銅合金、不銹鋼、哈氏合金，耐高壓 / 腐蝕）或非金屬（橡膠、聚四氟乙烯，耐低壓 / 化學介質），邊緣固定，兩側分別接觸高壓和低壓介質。
工作原理：壓差作用下，膜片向低壓側彎曲，產生與壓差成正比的 “撓度"（中心位移量），可直接推動指針（簡單結構）或帶動杠桿、齒輪組（放大位移，提升精度）。
特點：響應速度快，適用于中低壓差（0-1MPa），常用于氣體、液體壓差測量，尤其適合需要防泄漏的場景（如密封容器壓差）。

2. 膜盒（Capsule）

結構：由兩個金屬膜片（如黃銅）邊緣焊接而成，形成 “中空的扁圓形盒體"，盒內通常抽成真空（或充入固定壓力的氣體），外側接觸測量介質。
工作原理：當膜盒外側（高壓端）與內側（低壓端 / 真空）存在壓差時，膜盒會膨脹或收縮，帶動連接的連桿產生直線位移，進而驅動指針或記錄筆。
特點：形變位移比單膜片更大，測量精度更高，適用于微低壓差（0-10kPa，如風道靜壓、爐膛負壓），缺點是耐高壓能力弱，通常只用于氣體測量。

3. 波紋管（Bellows）

結構：金屬（不銹鋼、磷青銅）制成的 “折疊式管狀結構"，類似 “可伸縮的手風琴"，一端封閉，另一端開口（連接高壓介質），外側接觸低壓介質。
工作原理：壓差推動波紋管沿軸向伸縮，產生線性位移，通過拉桿、彈簧等部件將位移轉化為機械信號。
特點：位移量大（可達幾十毫米），適合中高壓差（10kPa-10MPa），可測量氣體、液體壓差，常用于工業管道、液壓系統，但響應速度較慢（因伸縮行程長）。

三、電參數變化型感壓元件（依賴電信號轉換）

這類元件是電子型壓差計的核心，通過壓差導致元件的電學參數（電容、電阻、壓電效應等）變化，將物理形變轉化為可測量的電信號，精度高、易實現自動化，廣泛應用于工業控制、自動化系統。

1. 電容式壓差傳感器（最主流）

結構：由兩個平行極板組成，一個為固定極板（與外殼連接），另一個為可動極板（與彈性膜片一體化），兩極板間形成電容。
工作原理：壓差作用于彈性膜片，帶動可動極板靠近 / 遠離固定極板，導致兩極板間距變化，電容值（C = εS/(4πkd)，ε 為介電常數，S 為極板面積，d 為間距）隨之改變。通過電路將電容變化轉化為電壓 / 電流信號（如 0-5V、4-20mA）。
特點：

精度高（誤差 ±0.1% FS 以內）、線性度好；
受溫度影響小（可通過補償電路修正）；
適用于低至微壓（Pa 級）、高至中壓（MPa 級）的氣體 / 液體壓差，是 HVAC、醫療設備、工業自動化的shou選。

2. 壓阻式壓差傳感器

結構：在硅片（半導體材料）上通過光刻、擴散工藝制作 4 個等值電阻，組成惠斯通電橋，硅片一側為高壓腔，另一側為低壓腔。
工作原理：壓差導致硅片產生微小形變，使電橋中的電阻因 “壓阻效應"（半導體形變時電阻值變化）發生差異，電橋輸出與壓差成正比的電壓信號。
特點：

響應速度極快（微秒級），適合動態壓差（如氣流脈動、液體沖擊）；
體積小巧（可集成微型芯片），但溫度漂移較大（需加溫度補償電路），常用于汽車、航空航天等場景。

3. 壓電式壓差傳感器

結構：核心為壓電晶體（如石英、壓電陶瓷），兩側安裝電極，晶體一側承受高壓，另一側承受低壓。
工作原理：壓差作用于壓電晶體，使其內部產生極化現象，表面出現等量正負電荷，形成電壓信號（僅在壓差變化時產生信號，靜態壓差下無輸出）。
特點：

靈敏度ji高，可測量微小動態壓差（如聲波、氣流振動）；
無靜態輸出，不適用于穩定壓差測量，主要用于聲學檢測、流體脈動監測等領域。

四、各類感壓元件的核心差異與選型參考

為了更清晰地選擇適配場景，以下是不同類型感壓元件的關鍵參數對比：

感壓元件類型	測量范圍	精度等級	適用介質	核心優勢	典型應用場景
U 型管（流體靜力）	0-100kPa	±1%-5%FS	氣體、中性液體	結構簡單、成本低、無需供電	實驗室校準、潔凈室壓差監測
膜片（彈性形變）	0-1MPa	±0.5%-2%FS	氣體、液體	密封性好、響應較快	密封容器壓差、液壓系統低壓段
膜盒（彈性形變）	0-10kPa	±0.2%-1%FS	氣體（干燥）	微壓差測量精度高	風道靜壓、爐膛負壓
波紋管（彈性形變）	10kPa-10MPa	±0.2%-1%FS	氣體、液體	耐中高壓、位移量大	工業管道、制冷系統
電容式（電參數）	0-10MPa	±0.1%-0.5%FS	氣體、液體	高精度、低溫度漂移	HVAC 控制、醫療設備、精密測量
壓阻式（電參數）	0-5MPa	±0.1%-1%FS	氣體、液體	響應快、體積小	汽車進氣歧管、動態流體監測
壓電式（電參數）	動態壓差	-（側重靈敏度）	氣體、液體	高靈敏度、快速響應	聲學檢測、氣流脈動監測

總結

感壓元件的選型本質是匹配測量需求：

若需低成本、非自動化測量（如人工巡檢），優先選流體靜力型（U 型管）或彈性形變型（膜片 / 膜盒）；
若需高精度、自動化控制（如工業 PLC 系統），shou選電容式電參數感壓元件；
若需測量動態壓差（如流體沖擊、振動），則選擇壓阻式或壓電式；
若測量介質為腐蝕性液體 / 氣體，需重點關注感壓元件材質（如聚四氟乙烯膜片、哈氏合金波紋管）