作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術支持工程師

　　壓力傳感器是一種電子元件，用于監(jiān)測或檢測氣體或液體壓力(力)，并將該信息轉(zhuǎn)換為可用于監(jiān)測或調(diào)節(jié)該力的電信號。然而，為了進一步啟動關于壓力傳感器的討論，值得從一些基本定義開始。壓力是氣體或液體施加在表面單位面積上的力的大小。壓力 (P)、力 (F) 和面積 (A) 之間的關系由方程 P=F/A 給出。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。

　　壓力傳感器有多種技術，本文稍后將討論這些技術，每種技術最終將決定特定壓力傳感器的工作方式。雖然目前可用的許多壓力傳感器可用于各種流體和氣體，但一些更粘稠或更厚的流體(紙漿、瀝青、原油等)可能需要定制的壓力傳感器。然而，有一種壓力傳感器類型幾乎適用于任何情況。

　　解決命名混淆

　　從根本上說，壓力傳感器、壓力傳感器和壓力變送器在功能上是可比的，因此，這兩個術語通?？梢曰Q使用。但是，它們之間的主要區(qū)別在于它們的輸出信號。

　　壓力傳感器感應壓力的力，并產(chǎn)生與施加的力的大小相對應的輸出信號。壓力傳感器將檢測到的力轉(zhuǎn)換為連續(xù)電壓輸出(V)，而壓力變送器將檢測到的力轉(zhuǎn)換為電流輸出(mA)。

　　在通常的用法中，壓力傳感器可以使用各種術語來指代，例如壓力傳感器、壓力變送器、壓力發(fā)送器、壓力指示器、壓力計和壓力計。無論給定的命名法如何，這些設備都可用于監(jiān)測和調(diào)節(jié)眾多應用中的壓力，也可用于測量其他變量，例如流體/氣體流量、海拔和水位。

　　壓力測量類型

　　在壓力測量和壓力傳感器領域，必須理解各種術語，以確保最佳的系統(tǒng)性能和測量精度。應用中使用的特定類型的壓力傳感器會顯著影響這些因素，因為壓力通常是相對于參考值測量的，例如海平面的大氣壓力。

　　一個關鍵術語是表壓，它是相對于當?shù)丨h(huán)境或大氣壓力的壓力測量值。指示的壓力高于或低于當?shù)卮髿鈮毫Α?/span>

　　另一個重要術語是絕對壓力，它是相對于零壓力或真空參考的壓力測量。無論測量位置如何，使用絕對壓力傳感器獲得的測量結果都保持不變。

　　壓差與系統(tǒng)中兩個不同點之間的壓力差有關，通常用于計算管道內(nèi)液體或氣體的流量。

　　真空壓力測量與環(huán)境或局部大氣壓力相比的負壓范圍。

　　最后，復合壓力涉及正壓和負壓或真空的測量，基本上結合了表壓和真空壓力。

　　圖 1：可視化各種壓力測量之間的關系。(圖片來源： CUI 器件)

　　常用壓力測量技術

　　壓力檢測、理解和測量的起源可以追溯到 1500 年代后期伽利略和 1600 年代中期托里切利的開創(chuàng)性工作。波登管是第一個壓力表，發(fā)明于1849年，直到1930年才引入了第一個電輸出壓力傳感器。隨著半導體技術的興起，用于檢測這種基本力的不同技術的數(shù)量激增。以下是主要壓力測量技術及其應用的簡要概述：

　　電容的： 檢測電容器極板之間的隔膜彎曲壓力引起的電容變化。

　　歸納： 檢測與磁芯相連的隔膜的微小偏轉(zhuǎn)，從而導致磁芯中的線性運動。這種運動改變了感應電流并轉(zhuǎn)化為電信號。

　　光學的： 利用因壓力增加而逐漸被阻擋的光源和產(chǎn)生與光線變化成比例的信號的傳感器。光纖傳感器還可用于測量由壓力引起的光路徑和相位的變化。

　　壓電的： 石英或陶瓷材料產(chǎn)生的可變電荷與外部壓力施加在其上的壓縮量成正比。壓阻技術利用材料拉伸時電阻的變化來測量壓力。

　　電位： 利用電阻裝置(電位計)和連接到波登管的滑動臂。隨著壓力的變化，手臂移動，電位計根據(jù)力水平產(chǎn)生相對信號。

　　諧振： 用振動絲施加到隔膜上的力會改變導線的共振頻率，該頻率被轉(zhuǎn)換為電信號。

　　應變片： 將施加的力(壓力)轉(zhuǎn)換為隨施加的力波動的電阻變化。然后可以測量該電阻。

　　壓力傳感器類型

　　要了解壓力傳感器，查看可用于設計的不同類型也很重要。以下是基本類型，按字母順序排列：

　　隔膜傳感器： 采用在壓力下變形的薄而靈活的圓形金屬板。

　　密封傳感器： 使用海平面的大氣壓力作為參考壓力。

　　固態(tài)傳感器： 由于沒有移動部件，這些傳感器使用半導體開關元件(如場效應晶體管)來感測壓力。

　　應變片傳感器： 測量由外力引起的長度變化引起的電阻并將其轉(zhuǎn)換為電信號。

　　薄膜傳感器： 顧名思義，這些傳感器利用含有電阻元件的薄膜，這些電阻元件會因壓力引起的長度和厚度變化而改變電阻。

　　真空傳感器： 設計用于測量低于大氣水平的壓力。通常，它們利用壓電技術或測量特定空間中的氣體體積。

　　通風傳感器： 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 設備)

　　最終設計注意事項

　　考慮到以前的壓力傳感器技術、測量和類型，以下是在為特定設計指定壓力傳感器時要牢記的一些最終選擇標準。第一個關鍵參數(shù)是工作壓力范圍，它標識了制造商指定的設備將執(zhí)行的安全壓力范圍。工作溫度范圍、傳感器在發(fā)生故障前可以承受的最大壓力以及輸出類型(模擬/數(shù)字)也是重要的考慮因素。還應考慮輸出電平、精度和漂移、分辨率、電源電壓和環(huán)境因素，如溫度、濕度、壓力、液體暴露、輻射以及傳感器與任何接收設備之間的物理距離。通過考慮所有這些參數(shù)， 可以為滿足必要操作條件和性能要求的特定應用選擇合適的壓力傳感器。

　　結論

　　作為一名電氣工程師，重要的是要了解測量壓力并利用這些數(shù)據(jù)進行過程控制和監(jiān)測在許多行業(yè)(例如制造和醫(yī)療保健)中至關重要。準確可靠的壓力傳感對于確保產(chǎn)品和服務的質(zhì)量和安全是必要的。隨著技術的進步，壓力傳感器現(xiàn)在有各種類型、技術、尺寸、輸出和精度可供選擇。為特定應用選擇合適的壓力傳感器需要仔細考慮工作參數(shù)，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、電源電壓和環(huán)境因素。

　　幸運的是，CUI Devices 提供了一系列 基于壓電的壓力傳感器 可以滿足這些要求。其傳感器有多種壓力類型和工作范圍可供選擇，可實現(xiàn)靈活準確的測量。