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压力传感器简介

已有 301 次阅读| 2023-12-13 11:29 |系统分类:芯片设计

感知物理世界的条件和变化是电气工程的基本任务之一。在本文中,我们将了解压力传感器,它可以感知压力并将其转换为电能。

什么是压力传感器?

那么, 除了上面给出的一句话解释之外,什么是压力传感器呢?要回答这个问题,我们要分成两部分。首先,什么是压力?其次,什么是传感器?

什么是压强?

在本文中,压强是在垂直于物体表面的方向上施加在物体上的每单位面积的力的大小。该力通常与流体(即液体或气体)相关。绝对压强测量使用理论零压力作为参考点,表压测量使用大气压力作为参考点。

绝对压力和表压之间的区别是一个重要的提醒,即人类感觉的零压力根本不是零压力。我们一直生活在大气压力下,每平方英寸施加约 14.7 磅 (14.7 psi) 的力。如果从出生到死亡生活在 14.7 psi 的压力下听起来有点不公平,那么生活在 0 psi 的环境中会更糟糕——真正的零压力是完美的真空,会导致快速死亡。

什么是传感器?

术语“传感器”和“变送器”经常互换使用。这并不奇怪,因为许多传感器设备也是变送器,并且许多变送器(包括我们今天要讨论的传感器)也是传感器。然而,这些词本身就表明了细微的差别。

传感器感测(如检测或测量)物理量并将此信息提供给用户。例如,水银温度计是一种传感器,它允许热量作用于物质,以便人类可以轻松测量温度。

传感器不仅仅测量数量,它们还将能量从一种形式转换为另一种形式。在大多数情况下,“输入”能量或“输出”能量都采用电信号的形式。麦克风是一种换能器,因为它将声波能量转换为电压信号。如今,传感器产生的信号通常由模数转换器进行采样,以便可以使用数字电路处理和分析信息。

数十年的创新催生了一系列令人印象深刻的传感器,旨在将加速度、温度、磁场强度、光强度和其他物理量转换为电信号。即使我们只考虑压力传感器,也有多种类型。这些包括:

  • 电容式

  • 感应式

  • 电阻性

  • 压电式

电容式和电感式压力传感器

电容器是无源器件,因此它不能产生信号。然而,电容器可以集成到供电电路中,电容的变化将导致信号变化。

平行板电容器的电容由以下公式确定:

  • 板的面积

  • 板之间的距离

  • 板之间绝缘材料的介电常数

电容式压力传感器(图 1)将平行板电容器与隔膜结合在一起,当压力变化时,隔膜之间的距离会发生变化。

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图 1.能够将压力转换为 14 位数字输出值的工业压力传感器

类似的设计原理可以应用于电感器件。在感应压力传感器中,压力变化会改变铁磁芯的位置,从而产生信号变化。

电阻式压力传感器

我们将讨论三种使用电阻测量压力的传感器:

1.应变计。

2.压阻式压力传感器。

3.电位压力传感器。

从技术上讲,最后两类是包含传感器和附加电路的传感器。然而,将设备作为一个整体来考虑更有用,而“包含传感器的压阻(或电位)压力传感器”有点拗口。

应变计

顾名思义,应变仪(图 2)测量应变,应变定义为施加力方向上的物理变形。应变计中的导电物体会因变形而发生电阻变化。由于应变是由力产生的,而压力是单位面积上的力,因此应变计技术可以成为压力传感器的基础。

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图 2.粘合应变片的布局

虽然应变计本身在技术上构成了传感器,但大多数时候该技术与将电阻变化转换为电压信号的电路相结合。


压阻式和电位式压力传感器

压阻式压力传感器在操作上与应变计相似,但在结构上有些不同。它们具有高性能和低成本,被广泛使用。

另一种基于电阻的压力测量方法涉及配备有压力敏感元件的电位计,该元件会导致电位计的游标移动。与应变计一样,可以通过外部电路测量电阻的变化并将其转换为电压信号。

压电压力传感器

压电材料,例如电子振荡器中使用的石英晶体,会因机械应力而产生电荷变化。机械应力又是由施加的力产生的。由于力和电荷之间的这种关系,可以在压电元件和隔膜周围构建压力传感器(图 3)。压电压力传感器往往坚固耐用且响应速度快。

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图 3.将晶体加隔膜系统与放大电路相结合的压电压力传感器

总结

电气工程师在将压力测量纳入设计时有多种选择。像往常一样,需要进行一些研究和仔细考虑,以确定适合特定项目的最佳传感器。

来源:EETOP编译自allaboutcircuits



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