作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術(shù)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(guān)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(guān)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(shù)，本文稍后將討論這些技術(shù)，每種技術(shù)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(shù)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(yīng)壓力的力，并產(chǎn)生與施加的力的大小相對應(yīng)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(shù)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(shè)備都可用于監(jiān)測和調(diào)節(jié)眾多應(yīng)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(lǐng)域，必須理解各種術(shù)語，以確保最佳的系統(tǒng)性能和測量精度。應(yīng)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(guān)鍵術(shù)語是表壓，它是相對于當(dāng)?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(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α?/span>

　　另一個重要術(shù)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(jié)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(guān)，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(fù)合壓力涉及正壓和負壓或真空的測量，基本上結(jié)合了表壓和真空壓力。

　　圖 1：可視化各種壓力測量之間的關(guān)系。(圖片來源： CUI 器件)

　　常用壓力測量技術(shù)

　　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(dǎo)體技術(shù)的興起，用于檢測這種基本力的不同技術(shù)的數(shù)量激增。以下是主要壓力測量技術(shù)及其應(yīng)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(dǎo)致磁芯中的線性運動。這種運動改變了感應(yīng)電流并轉(zhuǎn)化為電信號。

　　光學(xué)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(shù)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(dǎo)線的共振頻率，該頻率被轉(zhuǎn)換為電信號。

　　應(yīng)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(shè)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(dǎo)體開關(guān)元件(如場效應(yīng)晶體管)來感測壓力。

　　應(yīng)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(shè)計用于測量低于大氣水平的壓力。通常，它們利用壓電技術(shù)或測量特定空間中的氣體體積。

　　通風(fēng)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(shè)備)

　　最終設(shè)計注意事項

　　考慮到以前的壓力傳感器技術(shù)、測量和類型，以下是在為特定設(shè)計指定壓力傳感器時要牢記的一些最終選擇標(biāo)準(zhǔn)。第一個關(guān)鍵參數(shù)是工作壓力范圍，它標(biāo)識了制造商指定的設(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)用選擇合適的壓力傳感器。

　　結(jié)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(guān)重要。準(zhǔn)確可靠的壓力傳感對于確保產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量和安全是必要的。隨著技術(shù)的進步，壓力傳感器現(xiàn)在有各種類型、技術(shù)、尺寸、輸出和精度可供選擇。為特定應(yīng)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(zhǔn)確的測量。