压力传感器简介

作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技术支持工程师

压力传感器是一个电子元器件，负责监控或检测气体或液体压力（力），并将这些信息转换成可用来监测或调节该力的电信号。要进一步讨论压力传感器，有必要从一些基本定义开始。压力是指气体或液体在单位表面积上施加的力的大小。公式 P=F/A 给出了压力 (P)、力 (F) 和面积 (A) 之间的关系。传统的压力单位是帕斯卡，定义为每平方米一牛顿 (N)。压力也可以描述为阻碍流体膨胀所需的力。

压力传感器采用的技术有许多种（下文将进行讨论），每种技术都将最终决定特定压力传感器的工作方式。尽管当今的很多压力传感器可以与各种液体和气体搭配使用，但有些更粘稠或致密的液体（纸浆、沥青、原油等等）可能需要使用定制的压力传感器。但有一种压力传感器适用于几乎任何场景。

解决命名混乱的问题

基本上，压力传感器、压力换能器和压力变送器的功能大体相当，因此这几个术语经常互换使用。它们之间的主要区别在于输出信号。

压力传感器会感测压力的大小，并产生与所施加力的大小相对应的输出信号。压力换能器将检测到的力转换成连续电压输出 (V)，而压力变送器则将检测到的力转换成电流输出 (mA)。

在通常情况下，压力传感器可以使用许多名称，例如压力换能器、压力变送器、压力发送器、压力指示器、压强计和压力计。无论采用哪种名称，使用这些装置的目的都是为了在各种应用中监测和调节压力，也可用来测量其他变量，例如液体/气体流量、高度和水位。

压力测量类型

在压力测量和压力传感器领域，必须了解很多术语，以确保实现最佳的系统性能和测量精度。您的应用所使用的特定压力传感器类型会对这些因素产生重大影响，因为压力通常是相对于某个参考值（例如海平面的大气压力）测得的。

一个关键术语是“量表压力”，即相对于当地环境压力或大气压力测得的压力值。指示的压力不是高于就是低于当地大气压力。

另一个重要术语是“绝对压力”，即相对于零压或真空参考值的测得的压力值。无论在哪个位置测量，使用绝对压力传感器获得的测量结果都是一样的。

“差压”是指系统中的两个不同点之间的压力差，通常用来计算管道内的液体或气体流量。

“真空压力”测量的是相对于环境压力或当地大气压力的负压范围。

最后，“混合压力”是指正负压或真空的测量值，基本上是“量表压力”与“真空压力”的结合体。

图 1：各种压力测量值之间的关系图示。（图片来源：CUI Devices）

常用的压力测量技术

压力的检测、理解和测量，最早可以追溯到 16 世纪晚期伽利略和 17 世纪中叶托里切利的开创性工作。波登管是史上第一款压力计，于 1849 年问世，此后直到 1930 年才诞生第一款电输出压力换能器。随着半导体技术的兴起，用来检测这一基本力的技术大量涌现。下面简要介绍了主要的压力测量技术及其应用：

· 电容式：检测电容器板之间的膜片受压弯曲引起的电容变化。
· 感应式：检测与磁芯相连膜片的微小偏转，此偏转会导致磁芯中发生线性运动。这种运动会改变感应电流，并转换成电信号。
· 光学式：利用光源和传感器进行测量，光源会随着压力增大而逐渐被遮挡，传感器用来产生与光线变化成比例的信号。光纤传感器也可以用来测量由压力引起的光线路径和相位的变化。
· 压电式：当外部压力作用于石英或陶瓷材料时，这些材料会产生与压缩量成比例的可变电荷。压阻技术利用材料在拉伸时的电阻变化来测量压力。
· 电位式：利用电阻装置（电位计）和连接到波登管的滑臂进行测量。滑臂随着压力的变化而移动，电位计根据力的大小产生一个相对信号。
· 谐振式：对带有振弦的膜片施加的力会改变振弦的谐振频率，这会被转化成电信号。
· 应变计：将施加的力（压力）转换成随施加的力波动的电阻变化。随后即可测量此电阻值。

压力传感器类型

要了解压力传感器，回顾一下可以在设计中使用的各种传感器类型也很重要。下面是基本的压力传感器类型：

· 膜片传感器：包含受压时会变形的柔性圆形金属薄片。
· 密封传感器：以海平面的大气压力作为参考压力。
· 固态传感器：这些传感器没有活动部件，使用半导体开关元件（例如场效应晶体管）来感应压力。
· 应变计传感器：测量由外力引起的长度变化所产生的电阻，并将其转化成电信号。
· 薄膜传感器：顾名思义，这些传感器使用含有电阻元件的薄膜，当压力导致薄膜的长度和厚度发生变化时，电阻会随之改变。
· 真空传感器：用来测量低于大气水平的压力。通常情况下，这些传感器采用压电技术，或者测量特定空间的气体体积。
· 排气式传感器：测量相对于环境气压的压力。

图 2：使用压电膜片的压力传感器示例。（图片来源：CUI Devices）

最终设计考虑因素

根据上文介绍的压力传感器技术、测量方法和类型，在为特定的设计指定压力传感器时，需要记住下面这些最终选择标准。第一个关键参数是工作压力范围，即制造商为器件正常工作规定的安全压力范围。工作温度范围、传感器在发生故障之前所能承受的最大压力以及输出类型（模拟/数字）也是重要的考虑因素。此外，还应考虑输出水平、精度和漂移、分辨率、电源电压以及一些环境因素，例如温度、湿度、压力、液体接触、辐射以及传感器与任何接收装置之间的物理距离。通过考虑所有这些参数，可以为特定应用选择合适的压力传感器，以满足必要的工作条件和性能要求。

总结

电气工程师必须要了解，测量压力并利用这些数据进行过程控制和监控对很多行业（例如制造业和医疗保健行业）至关重要。为了确保产品和服务的质量和安全性，必须实现准确、可靠的压力感测。随着技术的进步，压力传感器现在有各种类型、技术、尺寸、输出和精度可供选择。要为特定应用选择正确的压力传感器，需要仔细考虑工作参数，例如传感器类型、压力范围、温度范围、最大压力、输出类型、精度、分辨率、电源电压以及环境因素。

幸运的是，CUI Devices 推出了一系列压电式压力传感器，可以满足这些要求。该公司的传感器具有多种压力类型和工作范围可供选择，可实现灵活而准确的测量。