關于壓力傳感器的介紹

了解壓力傳感器：這種設備被廣泛應用于工業、醫療、汽車和消費領域，用于感知壓力并將其轉化為電能。感知物理世界中的條件和變化是電氣工程的基本任務之一。在本文中，我們將了解壓力傳感器，它們能夠感知壓力并將其轉化為電能。我們將在下一部分回顧“壓力傳感器”的詳細定義，然后繼續介紹不同類型的壓力傳感器及其工作原理。

什么是壓力傳感器？

那么，壓力傳感器到底是什么？除了上述的簡短解釋之外，我們可以進一步探討。為此，我們可以將問題分為兩部分。首先，什么是壓力？其次，什么是傳感器？

什么是壓力？

在這個語境中，壓力是指作用在物體表面單位面積上的力，且該力的方向垂直于物體表面。這種力通常與流體（即液體或氣體）有關。絕對壓力測量以理論上的零壓力為參考點，而表壓（gauge pressure）測量則以大氣壓力為參考點。絕對壓力與表壓之間的區別是一個重要的提醒：對我們人類來說，感覺上的“零壓力”實際上并不是真正的零壓力。我們始終生活在大氣壓力之下，大氣壓力大約為每平方英寸施加14.7磅的力（14.7 psi）。如果說從出生到死亡都生活在14.7 psi的環境中聽起來有點不公平，那么生活在0 psi的環境中將會更糟糕——真正的零壓力是一個完美的真空環境，會導致瞬間死亡。

什么是傳感器？

“傳感器”和“傳感器”這兩個術語經常被交替使用。這并不奇怪，因為許多傳感器也是傳感器，而我們今天要討論的許多傳感器（包括壓力傳感器）也是傳感器。然而，這兩個詞本身暗示了微妙的差別。傳感器用于感知（即檢測或測量）物理量，并將這些信息提供給用戶。例如，水銀溫度計是一種傳感器——它允許熱量作用于一種物質，從而讓人們能夠輕松地測量溫度。傳感器不僅僅測量物理量，它們還會將能量從一種形式轉換為另一種形式。在大多數情況下，輸入能量或輸出能量中的一種會以電信號的形式出現。例如，麥克風是一種傳感器，因為它將聲能轉換為電壓信號。如今，傳感器產生的信號通常會被模數轉換器采樣，以便利用數字電路進行處理和分析。經過數十年的創新，人們已經開發出一系列令人印象深刻的傳感器，用于將加速度、溫度、磁場強度、光強等物理量轉換為電信號。即使我們只考慮壓力傳感器，也有幾種不同類型。這些包括：

1. 電容式

2. 電感式

3. 電阻式

4. 壓電式

電容式和電感式壓力傳感器

電容器是一種無源器件，因此它本身無法產生信號。然而，電容器可以被集成到一個有源電路中，使得電容的變化能夠導致信號的變化。平行板電容器的電容由以下因素決定：

1. 極板的面積

2. 極板之間的距離

3. 極板之間絕緣材料的介電常數

電容式壓力傳感器（圖1）將平行板電容器與一個膜片結合在一起。當壓力發生變化時，膜片會導致極板之間的距離發生變化，從而改變電容值。圖1. 用于工業應用的電容式壓力傳感器。

圖中展示的是一種能夠將壓力轉換為14位數字輸出值的工業壓力傳感器。圖片來源于TE Connectivity。

類似的設計原理也可以應用于電感式設備。在電感式壓力傳感器中，壓力的變化會改變一個鐵磁芯的位置，從而導致信號的變化。

電阻式壓力傳感器

我們將討論三種利用電阻來測量壓力的傳感器：

1. 應變片（Strain Gauges）

2. 壓阻式壓力傳感器（Piezoresistive Pressure Sensors）

3. 電位器式壓力傳感器（Potentiometric Pressure Sensors）

從技術上講，最后兩種傳感器實際上包含傳感器和額外的電路。然而，將這些設備作為一個整體來考慮會更有用，而“包含傳感器的壓阻式（或電位器式）壓力傳感器”這樣的表述顯得有些冗長。

應變片

顧名思義，應變片（圖2）用于測量應變，應變是指在施加力的方向上發生的物理變形。應變片中的導電物體因變形而導致電阻發生變化。由于應變是由力引起的，而壓力是單位面積上的力，因此應變片技術可以作為壓力傳感器的基礎。

圖2. 粘貼式應變片的布局。圖片來源于All About Circuits。

盡管應變片本身在技術上已經構成了一個傳感器，但大多數情況下，這種技術會與一個電路結合，將電阻的變化轉換為電壓信號。

壓阻式和電位器式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器在工作原理上與應變片相似，但在結構上有所不同。它們具有高性能和低成本的優勢，因此被廣泛應用。另一種基于電阻的壓力測量方法涉及使用帶有壓力敏感元件的電位器。該元件會使電位器的滑動端移動。與應變片類似，電阻的變化可以通過外部電路測量并轉換為電壓信號。

壓電式壓力傳感器

壓電材料（例如電子振蕩器中使用的石英晶體）會在受到機械應力時產生電荷變化。機械應力是由施加的力引起的，而力與電荷之間存在直接關系。因此，可以圍繞壓電元件和膜片構建壓力傳感器（圖3）。壓電式壓力傳感器通常具有堅固耐用和高響應性的特點。

圖3. 一種結合了晶體-膜片系統和放大電路的壓電式壓力傳感器。圖片來源于PCB Piezotronics。

總結

電氣工程師在設計中融入壓力測量時有多種選擇。正如通常情況一樣，需要進行一些研究并仔細考慮，以確定特定項目中最佳的壓力傳感器。