作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技術(shù)支持工程師

壓力傳感器是一個(gè)電子元器件，負(fù)責(zé)監(jiān)控或檢測(cè)氣體或液體壓力（力），并將這些信息轉(zhuǎn)換成可用來(lái)監(jiān)測(cè)或調(diào)節(jié)該力的電信號(hào)。要進(jìn)一步討論壓力傳感器，有必要從一些基本定義開(kāi)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(guān)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(shù)有許多種（下文將進(jìn)行討論），每種技術(shù)都將最終決定特定壓力傳感器的工作方式。盡管當(dāng)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(chǎng)景。

解決命名混亂的問(wèn)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(dāng)，因此這幾個(gè)術(shù)語(yǔ)經(jīng)?；Q使用。它們之間的主要區(qū)別在于輸出信號(hào)。

壓力傳感器會(huì)感測(cè)壓力的大小，并產(chǎn)生與所施加力的大小相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。壓力換能器將檢測(cè)到的力轉(zhuǎn)換成連續(xù)電壓輸出 (V)，而壓力變送器則將檢測(cè)到的力轉(zhuǎn)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(chēng)，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(qiáng)計(jì)和壓力計(jì)。無(wú)論采用哪種名稱(chēng)，使用這些裝置的目的都是為了在各種應(yīng)用中監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)壓力，也可用來(lái)測(cè)量其他變量，例如液體/氣體流量、高度和水位。

壓力測(cè)量類(lèi)型

在壓力測(cè)量和壓力傳感器領(lǐng)域，必須了解很多術(shù)語(yǔ)，以確保實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能和測(cè)量精度。您的應(yīng)用所使用的特定壓力傳感器類(lèi)型會(huì)對(duì)這些因素產(chǎn)生重大影響，因?yàn)閴毫νǔＪ窍鄬?duì)于某個(gè)參考值（例如海平面的大氣壓力）測(cè)得的。

一個(gè)關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)是“量表壓力”，即相對(duì)于當(dāng)?shù)丨h(huán)境壓力或大氣壓力測(cè)得的壓力值。指示的壓力不是高于就是低于當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Α?/p>

另一個(gè)重要術(shù)語(yǔ)是“絕對(duì)壓力”，即相對(duì)于零壓或真空參考值的測(cè)得的壓力值。無(wú)論在哪個(gè)位置測(cè)量，使用絕對(duì)壓力傳感器獲得的測(cè)量結(jié)果都是一樣的。

“差壓”是指系統(tǒng)中的兩個(gè)不同點(diǎn)之間的壓力差，通常用來(lái)計(jì)算管道內(nèi)的液體或氣體流量。

“真空壓力”測(cè)量的是相對(duì)于環(huán)境壓力或當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Φ呢?fù)壓范圍。

最后，“混合壓力”是指正負(fù)壓或真空的測(cè)量值，基本上是“量表壓力”與“真空壓力”的結(jié)合體。

圖 1：各種壓力測(cè)量值之間的關(guān)系圖示。（圖片來(lái)源：[CUI Devices]）

常用的壓力測(cè)量技術(shù)

壓力的檢測(cè)、理解和測(cè)量，最早可以追溯到 16 世紀(jì)晚期伽利略和 17 世紀(jì)中葉托里切利的開(kāi)創(chuàng)性工作。波登管是史上第一款壓力計(jì)，于 1849 年問(wèn)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(dǎo)體技術(shù)的興起，用來(lái)檢測(cè)這一基本力的技術(shù)大量涌現(xiàn)。下面簡(jiǎn)要介紹了主要的壓力測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用：

• 電容式： 檢測(cè)電容器板之間的膜片受壓彎曲引起的電容變化。
• 感應(yīng)式： 檢測(cè)與磁芯相連膜片的微小偏轉(zhuǎn)，此偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致磁芯中發(fā)生線性運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)會(huì)改變感應(yīng)電流，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
• 光學(xué)式： 利用光源和傳感器進(jìn)行測(cè)量，光源會(huì)隨著壓力增大而逐漸被遮擋，傳感器用來(lái)產(chǎn)生與光線變化成比例的信號(hào)。光纖傳感器也可以用來(lái)測(cè)量由壓力引起的光線路徑和相位的變化。
• 壓電式： 當(dāng)外部壓力作用于石英或陶瓷材料時(shí)，這些材料會(huì)產(chǎn)生與壓縮量成比例的可變電荷。壓阻技術(shù)利用材料在拉伸時(shí)的電阻變化來(lái)測(cè)量壓力。
• 電位式： 利用電阻裝置（電位計(jì)）和連接到波登管的滑臂進(jìn)行測(cè)量?；垭S著壓力的變化而移動(dòng)，電位計(jì)根據(jù)力的大小產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)信號(hào)。
• 諧振式： 對(duì)帶有振弦的膜片施加的力會(huì)改變振弦的諧振頻率，這會(huì)被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。
• 應(yīng)變計(jì)： 將施加的力（壓力）轉(zhuǎn)換成隨施加的力波動(dòng)的電阻變化。隨后即可測(cè)量此電阻值。

壓力傳感器類(lèi)型

要了解壓力傳感器，回顧一下可以在設(shè)計(jì)中使用的各種傳感器類(lèi)型也很重要。下面是基本的壓力傳感器類(lèi)型：

• 膜片傳感器： 包含受壓時(shí)會(huì)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?jí)毫Α?/li>
• 固態(tài)傳感器： 這些傳感器沒(méi)有活動(dòng)部件，使用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件（例如場(chǎng)效應(yīng)晶體管）來(lái)感應(yīng)壓力。
• 應(yīng)變計(jì)傳感器： 測(cè)量由外力引起的長(zhǎng)度變化所產(chǎn)生的電阻，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。
• 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(dāng)壓力導(dǎo)致薄膜的長(zhǎng)度和厚度發(fā)生變化時(shí)，電阻會(huì)隨之改變。
• 真空傳感器： 用來(lái)測(cè)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(shù)，或者測(cè)量特定空間的氣體體積。
• 排氣式傳感器： 測(cè)量相對(duì)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(lái)源：CUI Devices）

最終設(shè)計(jì)考慮因素

根據(jù)上文介紹的壓力傳感器技術(shù)、測(cè)量方法和類(lèi)型，在為特定的設(shè)計(jì)指定壓力傳感器時(shí)，需要記住下面這些最終選擇標(biāo)準(zhǔn)。第一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)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(lèi)型（模擬/數(shù)字）也是重要的考慮因素。此外，還應(yīng)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(guò)考慮所有這些參數(shù)，可以為特定應(yīng)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(jié)

電氣工程師必須要了解，測(cè)量壓力并利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程控制和監(jiān)控對(duì)很多行業(yè)（例如制造業(yè)和醫(yī)療保健行業(yè)）至關(guān)重要。為了確保產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量和安全性，必須實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的壓力感測(cè)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，壓力傳感器現(xiàn)在有各種類(lèi)型、技術(shù)、尺寸、輸出和精度可供選擇。要為特定應(yīng)用選擇正確的壓力傳感器，需要仔細(xì)考慮工作參數(shù)，例如傳感器類(lèi)型、壓力范圍、溫度范圍、最大壓力、輸出類(lèi)型、精度、分辨率、電源電壓以及環(huán)境因素。

幸運(yùn)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(lèi)型和工作范圍可供選擇，可實(shí)現(xiàn)靈活而準(zhǔn)確的測(cè)量。