一、導(dǎo)語

壓力傳感器，作為傳感器家族中的重要成員，其身影遍布工業(yè)、醫(yī)療、汽車等多個領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。

感算商城《傳感世界全解析》專題內(nèi)容第二期將帶大家深入探索壓力傳感器的知識、測量原理、分類、典型應(yīng)用等。

二、壓力知識簡介

壓力，是物理學(xué)中的一個基本概念，指的是垂直作用在物體表面上的力與其接觸面積的比值。在日常生活中，我們無時無刻不在感受著壓力的存在，無論是大氣壓力、水壓，還是機(jī)械部件之間的接觸壓力，都是壓力傳感器的“用武之地”。

我們中學(xué)物理熟悉的托里拆利實驗，測試的就是大氣壓力。

1648年法國科學(xué)家帕斯卡聽到托里切利和實驗和伽利略的實驗后，致力研究結(jié)果產(chǎn)生的原因，最后他得出水銀柱下降的高度等于空氣的質(zhì)量，他用公式闡明了這種力量，他稱之為“壓力”。后來為紀(jì)念他為研究壓力所做出的貢獻(xiàn)，將壓力的單位定義為“帕斯卡”。

下面我們來看看壓力常用的單位：

國際標(biāo)準(zhǔn)單位采用帕斯卡（Pa）來衡量壓強，其中，一個大氣壓（ATM）對應(yīng)為105Pa。隨著海拔的攀升，大氣壓會逐漸降低，這一特性使得部分壓力表能夠兼用于測量海拔高度。當(dāng)飛機(jī)攀升至萬米高空時，氣壓相較于海平面會大約降低30%，因此，為確保乘客的舒適度，飛機(jī)內(nèi)部必須增加氣壓。而在飛機(jī)下降過程中，由于氣壓差異的變化，乘客可能會感受到耳鳴的不適。

在英美地區(qū)，人們習(xí)慣使用PSI（磅力/平方英寸）或inH2O（英寸水柱）作為壓強的計量單位。

在此，我們需要對“力”這一概念進(jìn)行明確：力是指垂直作用于物體表面某一點上的力量。其度量單位包括公斤（Kg）和牛頓（N）。例如稱重、推力、力矩等，這些均屬于力/力矩傳感器的測量范疇，我們將在后續(xù)內(nèi)容中分期進(jìn)行詳細(xì)解讀。

三、壓力傳感器的測量原理

壓力傳感器的工作原理多種多樣，但歸根結(jié)底都是將壓力這一物理量轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行傳輸和處理。

壓力傳感器的種類繁多，如壓阻式壓力傳感器、壓電式壓力傳感器、電阻應(yīng)變式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器、薄膜壓力傳感器等。

目前應(yīng)用較為廣泛的壓力傳感器有：擴(kuò)散硅壓阻式（MEMS)壓力傳感器、陶瓷壓阻式壓力傳感器、陶瓷電容式壓力傳感器，應(yīng)變式壓力傳感器，濺射薄膜壓力傳感器、耐高溫特性的藍(lán)寶石壓力傳感器。   

后面感算將會分期具體介紹以下品類：MEMS壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器、微熔壓力傳感器等。

四、壓力傳感器的分類

根據(jù)測量的類型，壓力傳感器可以分為：

1、表壓傳感器：用于測量介質(zhì)相對于大氣壓的壓力。 測量的壓力對應(yīng)的是大氣壓，英文表示為G(Gauge)。

2、差壓傳感器：用于測量兩個不同介質(zhì)之間的壓力差。差壓傳感器主要是測量兩種壓力的差值，英文表示為D (Differential)。

3、密封壓力傳感器：用于測量介質(zhì)相對于一定密封壓的壓力。密封壓力可以在生產(chǎn)傳感器時自己進(jìn)行選擇。英文表示為S(Sealed) 。

4、復(fù)合壓力傳感器：測量負(fù)表壓和正表壓。復(fù)合壓力傳感器提供從全真空到零壓力再到滿量程壓力的線性輸出信號。 英文表示為C(compound) 圖示參考差壓傳感器。

五、壓力傳感器的典型應(yīng)用

壓力傳感器憑借其廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和獨特的測量能力，在多個行業(yè)中發(fā)揮著重要作用。以下是一些典型的應(yīng)用場景：

1、工業(yè)領(lǐng)域：在工業(yè)制造過程中，壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于流體壓力監(jiān)測、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、生產(chǎn)過程控制等環(huán)節(jié)，為工業(yè)生產(chǎn)的自動化和智能化提供了有力支持。

1) 噴涂設(shè)備

無氣噴涂系統(tǒng)，在噴涂系統(tǒng)中，涂料能被均勻的霧化，需要實時控制噴涂材料罐內(nèi)的壓力，壓力傳感器安裝于噴涂材料容器頂部，用于監(jiān)測噴涂系統(tǒng)內(nèi)部壓力。

2）注膠系統(tǒng)

注膠機(jī)器人系統(tǒng)，膠水的流速/流量是根據(jù)壓力進(jìn)行控制。壓力傳感器用于注膠系統(tǒng)中壓力的檢測，傳感器安裝于壓力管路，壓力管路連接于膠水容器中，控制系統(tǒng)實時監(jiān)測管路壓力，實時調(diào)節(jié)保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。傳感器需要齊平膜，防腐蝕，小尺寸。

3）注塑機(jī)

注塑裝置負(fù)責(zé)在往復(fù)式螺桿筒中加熱材料，并將其分配到模腔中。注塑模具材料通常在高壓下流動，如果注塑壓力不正確，材料可能導(dǎo)致模制部件有缺陷、損壞模具和機(jī)器停機(jī)等影響。

4）液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的壓力是所有液壓執(zhí)行器的工作動力，是大多數(shù)液壓控制部件的控制中心，應(yīng)用于液壓管道中，可直接反映液壓系統(tǒng)的工作狀態(tài)，是整個系統(tǒng)的核心。壓力傳感器是液壓系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它可以配合PLC更好的完成目標(biāo)壓力的控制精度要求。

5）半導(dǎo)體行業(yè)MFC

半導(dǎo)體用的氣體質(zhì)量流量控制器（MFC）可以用壓力傳感器來進(jìn)行換算流量。

6）氣體閥控制

在工業(yè)生產(chǎn)流程中，氣壓閥通過集成精密的壓力傳感器，實現(xiàn)對各類工業(yè)過程氣壓的精細(xì)調(diào)控，從而確保生產(chǎn)作業(yè)達(dá)到高度的準(zhǔn)確性和可靠性。

2、汽車領(lǐng)域：在汽車制造中，壓力傳感器廣泛應(yīng)用于發(fā)動機(jī)燃油噴射控制、制動系統(tǒng)壓力監(jiān)測、輪胎壓力監(jiān)測等，為汽車的安全、節(jié)能和舒適性提供了保障。

1）動力系統(tǒng)

汽車動力系統(tǒng)的高效控制中，進(jìn)氣壓力傳感器作為一項關(guān)鍵技術(shù)，正發(fā)揮著重要的作用。進(jìn)氣壓力傳感器能夠準(zhǔn)確測量發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的壓力，為發(fā)動機(jī)控制單元提供重要的數(shù)據(jù)支持。它不僅保證發(fā)動機(jī)的工作穩(wěn)定和高效，還為汽車的動力輸出和燃油經(jīng)濟(jì)性提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

2）制動系統(tǒng)

汽車制動壓力傳感器可用于對帶油壓助力裝置的制動系統(tǒng)進(jìn)行油壓控制。它可敏銳檢測出儲壓器的壓力、輸出油泵的閉合或斷開信號以及油壓的異常報警等。

3）電池包檢測

壓力傳感器通常安裝在電池包內(nèi)部關(guān)鍵位置，以保證實現(xiàn)對整個電池包內(nèi)氣體壓力的準(zhǔn)確監(jiān)測。它通過感受電池包內(nèi)氣體壓力的變化，并將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號輸出，供監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控和處理。

4）胎壓檢測

胎壓監(jiān)測系統(tǒng)簡稱“TPMS”，自2020年1月1日起，所有在產(chǎn)乘用車將開始實施強制安裝TPMS（胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）的要求。 TPMS與安全氣囊、ABS（防抱死）系統(tǒng)構(gòu)成汽車三大安全系統(tǒng)。

3、醫(yī)療領(lǐng)域：在醫(yī)療領(lǐng)域，壓力傳感器被廣泛應(yīng)用于血壓測量、呼吸機(jī)壓力監(jiān)測、血液透析壓力控制等方面，為醫(yī)療設(shè)備的精確控制和患者的安全提供了重要支持。

1） 血壓測量

分無創(chuàng)和有創(chuàng)血壓測量。無創(chuàng)常見的有臂式血壓計和臺式血壓計。

有創(chuàng)血壓測量技術(shù)通常被應(yīng)用于ICU（重癥監(jiān)護(hù)病房）中，專用的壓力傳感器會直接與患者血液接觸，以確保測量的準(zhǔn)確性。為了滿足醫(yī)療安全與衛(wèi)生的要求，這些壓力傳感器通常采用一次性設(shè)計，以保障每次測量的無菌性和患者的安全。

2） 呼吸機(jī)

呼吸機(jī)一般要使用6顆左右的壓力傳感器：2顆絕壓（或表壓）式壓力傳感器用于氣道壓力測量，2顆差壓式壓力傳感器用于流量（流速）測量，1顆絕壓（表壓）式壓力傳感器與1顆差壓式壓力傳感器用于構(gòu)成自檢系統(tǒng)，用于對各氣道壓力傳感器做壓力值比較，進(jìn)行故障報警。 

3） 透析儀

透析機(jī)中的壓力傳感器對于治療各個階段的實時血壓監(jiān)測至關(guān)重要。動脈傳感器跟蹤患者的血壓，同時確保紅細(xì)胞免受傷害。 另一方面，靜脈傳感器跟蹤透析血液返回患者體內(nèi)的壓力，并有助于檢測潛在問題，如管道阻塞。 

4） IVD 血液分析儀

在IVD儀器中，可以通過壓力傳感器檢測的壓力反饋給控制系統(tǒng)，從而來控制泵、閥等器件的啟停。也可以通過壓力傳感器檢測的壓力反饋給報警系統(tǒng)，來對系統(tǒng)的工作狀態(tài)和器件狀態(tài)進(jìn)行報警。以便操作人員準(zhǔn)確掌握儀器的狀態(tài)，以及工程師對問題進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

4、消費領(lǐng)域：MEMS壓力傳感器在消費電子市場的應(yīng)用日益廣泛，尤其是在智能手機(jī)和智能手表等設(shè)備中。這些傳感器能夠提供高度精確的壓力測量，用于海拔測量、天氣預(yù)報、室內(nèi)導(dǎo)航等多種功能。

1）智能穿戴設(shè)備

智能手表和健康追蹤器，是MEMS壓力傳感器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。這些設(shè)備利用壓力傳感器來監(jiān)測用戶的活動水平、心率、血氧飽和度等生理參數(shù)。

 2）智能手機(jī)與平板電腦

在智能手機(jī)和平板電腦中，MEMS壓力傳感器的應(yīng)用正變得越來越普遍。這些傳感器不僅用于傳統(tǒng)的氣壓測量，還開始用于增強現(xiàn)實（AR）、虛擬現(xiàn)實（VR）和移動支付等新興應(yīng)用。

3）無人機(jī)

 壓力傳感器能偵測地球的大氣壓力。 由氣壓計所提供的數(shù)據(jù)能協(xié)助無人機(jī)導(dǎo)航上升到所需的高度，并準(zhǔn)確估計上升與下降速度，對無人機(jī)飛行控制來說相當(dāng)重要。

飛行器上的空速管或皮托管是重要的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳感器。差壓傳感器可用來準(zhǔn)確導(dǎo)入飛行器在飛行條件下周圍大氣環(huán)境的靜壓和總壓氣流。這些測量數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)換為飛行的氣壓高度、指示空速、升降速率等飛行參數(shù)，并在儀表上進(jìn)行顯示和輸出。

六、壓力傳感器的使用注意事項

傳感器為敏感元件，在使用壓力傳感器時，需要注意以下幾點：

1、選擇合適的型號和規(guī)格：根據(jù)測量需求選擇合適的壓力傳感器型號和規(guī)格，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

壓力傳感器的主要參數(shù)：

• 量程：微壓（1PSI以下），低壓（100PSI以下），中壓（750PSI以下），高壓（大于750PSI）
• 非線性  非線性單位為：%FS
• 靈敏度
• 重復(fù)性
• 零點漂移
• 溫度補償
• 年度漂移
• 測量類型：絕壓，表壓，差壓，混合壓。

 2、正確安裝和使用：按照傳感器說明書中的要求進(jìn)行正確安裝和使用，避免由于安裝不當(dāng)或操作失誤導(dǎo)致的測量誤差或傳感器損壞。

 3、定期維護(hù)和校準(zhǔn)：定期對傳感器進(jìn)行維護(hù)和校準(zhǔn)，確保其長期穩(wěn)定運行和測量準(zhǔn)確性。

 4、注意環(huán)境因素的影響：在使用過程中，要注意環(huán)境因素對傳感器性能的影響，如溫度、濕度、振動等，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補償或消除。

七、結(jié)語

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