壓力傳感器簡介

作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術支持工程師

壓力傳感器是一個電子元器件，負責監(jiān)控或檢測氣體或液體壓力（力），并將這些信息轉換成可用來監(jiān)測或調節(jié)該力的電信號。要進一步討論壓力傳感器，有必要從一些基本定義開始。壓力是指氣體或液體在單位表面積上施加的力的大小。公式 P=F/A 給出了壓力 (P)、力 (F) 和面積 (A) 之間的關系。傳統(tǒng)的壓力單位是帕斯卡，定義為每平方米一牛頓 (N)。壓力也可以描述為阻礙流體膨脹所需的力。

壓力傳感器采用的技術有許多種（下文將進行討論），每種技術都將最終決定特定壓力傳感器的工作方式。盡管當今的很多壓力傳感器可以與各種液體和氣體搭配使用，但有些更粘稠或致密的液體（紙漿、瀝青、原油等等）可能需要使用定制的壓力傳感器。但有一種壓力傳感器適用于幾乎任何場景。

解決命名混亂的問題

基本上，壓力傳感器、壓力換能器和壓力變送器的功能大體相當，因此這幾個術語經?；Q使用。它們之間的主要區(qū)別在于輸出信號。

壓力傳感器會感測壓力的大小，并產生與所施加力的大小相對應的輸出信號。壓力換能器將檢測到的力轉換成連續(xù)電壓輸出 (V)，而壓力變送器則將檢測到的力轉換成電流輸出 (mA)。

在通常情況下，壓力傳感器可以使用許多名稱，例如壓力換能器、壓力變送器、壓力發(fā)送器、壓力指示器、壓強計和壓力計。無論采用哪種名稱，使用這些裝置的目的都是為了在各種應用中監(jiān)測和調節(jié)壓力，也可用來測量其他變量，例如液體/氣體流量、高度和水位。

壓力測量類型

在壓力測量和壓力傳感器領域，必須了解很多術語，以確保實現最佳的系統(tǒng)性能和測量精度。您的應用所使用的特定壓力傳感器類型會對這些因素產生重大影響，因為壓力通常是相對于某個參考值（例如海平面的大氣壓力）測得的。

一個關鍵術語是“量表壓力”，即相對于當地環(huán)境壓力或大氣壓力測得的壓力值。指示的壓力不是高于就是低于當地大氣壓力。

另一個重要術語是“絕對壓力”，即相對于零壓或真空參考值的測得的壓力值。無論在哪個位置測量，使用絕對壓力傳感器獲得的測量結果都是一樣的。

“差壓”是指系統(tǒng)中的兩個不同點之間的壓力差，通常用來計算管道內的液體或氣體流量。

“真空壓力”測量的是相對于環(huán)境壓力或當地大氣壓力的負壓范圍。

最后，“混合壓力”是指正負壓或真空的測量值，基本上是“量表壓力”與“真空壓力”的結合體。

圖 1：各種壓力測量值之間的關系圖示。（圖片來源：[CUI Devices]）

常用的壓力測量技術

壓力的檢測、理解和測量，最早可以追溯到 16 世紀晚期伽利略和 17 世紀中葉托里切利的開創(chuàng)性工作。波登管是史上第一款壓力計，于 1849 年問世，此后直到 1930 年才誕生第一款電輸出壓力換能器。隨著半導體技術的興起，用來檢測這一基本力的技術大量涌現。下面簡要介紹了主要的壓力測量技術及其應用：

• 電容式： 檢測電容器板之間的膜片受壓彎曲引起的電容變化。
• 感應式： 檢測與磁芯相連膜片的微小偏轉，此偏轉會導致磁芯中發(fā)生線性運動。這種運動會改變感應電流，并轉換成電信號。
• 光學式： 利用光源和傳感器進行測量，光源會隨著壓力增大而逐漸被遮擋，傳感器用來產生與光線變化成比例的信號。光纖傳感器也可以用來測量由壓力引起的光線路徑和相位的變化。
• 壓電式： 當外部壓力作用于石英或陶瓷材料時，這些材料會產生與壓縮量成比例的可變電荷。壓阻技術利用材料在拉伸時的電阻變化來測量壓力。
• 電位式： 利用電阻裝置（電位計）和連接到波登管的滑臂進行測量。滑臂隨著壓力的變化而移動，電位計根據力的大小產生一個相對信號。
• 諧振式： 對帶有振弦的膜片施加的力會改變振弦的諧振頻率，這會被轉化成電信號。
• 應變計： 將施加的力（壓力）轉換成隨施加的力波動的電阻變化。隨后即可測量此電阻值。

壓力傳感器類型

要了解壓力傳感器，回顧一下可以在設計中使用的各種傳感器類型也很重要。下面是基本的壓力傳感器類型：

• 膜片傳感器： 包含受壓時會變形的柔性圓形金屬薄片。
• 密封傳感器： 以海平面的大氣壓力作為參考壓力。
• 固態(tài)傳感器： 這些傳感器沒有活動部件，使用半導體開關元件（例如場效應晶體管）來感應壓力。
• 應變計傳感器： 測量由外力引起的長度變化所產生的電阻，并將其轉化成電信號。
• 薄膜傳感器： 顧名思義，這些傳感器使用含有電阻元件的薄膜，當壓力導致薄膜的長度和厚度發(fā)生變化時，電阻會隨之改變。
• 真空傳感器： 用來測量低于大氣水平的壓力。通常情況下，這些傳感器采用壓電技術，或者測量特定空間的氣體體積。
• 排氣式傳感器： 測量相對于環(huán)境氣壓的壓力。

圖 2：使用壓電膜片的壓力傳感器示例。（圖片來源：CUI Devices）

最終設計考慮因素

根據上文介紹的壓力傳感器技術、測量方法和類型，在為特定的設計指定壓力傳感器時，需要記住下面這些最終選擇標準。第一個關鍵參數是工作壓力范圍，即制造商為器件正常工作規(guī)定的安全壓力范圍。工作溫度范圍、傳感器在發(fā)生故障之前所能承受的最大壓力以及輸出類型（模擬/數字）也是重要的考慮因素。此外，還應考慮輸出水平、精度和漂移、分辨率、電源電壓以及一些環(huán)境因素，例如溫度、濕度、壓力、液體接觸、輻射以及傳感器與任何接收裝置之間的物理距離。通過考慮所有這些參數，可以為特定應用選擇合適的壓力傳感器，以滿足必要的工作條件和性能要求。

總結

電氣工程師必須要了解，測量壓力并利用這些數據進行過程控制和監(jiān)控對很多行業(yè)（例如制造業(yè)和醫(yī)療保健行業(yè)）至關重要。為了確保產品和服務的質量和安全性，必須實現準確、可靠的壓力感測。隨著技術的進步，壓力傳感器現在有各種類型、技術、尺寸、輸出和精度可供選擇。要為特定應用選擇正確的壓力傳感器，需要仔細考慮工作參數，例如傳感器類型、壓力范圍、溫度范圍、最大壓力、輸出類型、精度、分辨率、電源電壓以及環(huán)境因素。

幸運的是，CUI Devices 推出了一系列[壓電式壓力傳感器])，可以滿足這些要求。該公司的傳感器具有多種壓力類型和工作范圍可供選擇，可實現靈活而準確的測量。