作者：Ryan Smoot，CUI Devices 技术支持工程师

　　压力传感器是一种电子元件，用于监测或检测气体或液体压力(力)，并将该信息转换为可用于监测或调节该力的电信号。然而，为了进一步启动关于压力传感器的讨论，值得从一些基本定义开始。压力是气体或液体施加在表面单位面积上的力的大小。压力 (P)、力 (F) 和面积 (A) 之间的关系由方程 P=F/A 给出。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。

　　压力传感器有多种技术，本文稍后将讨论这些技术，每种技术最终将决定特定压力传感器的工作方式。虽然目前可用的许多压力传感器可用于各种流体和气体，但一些更粘稠或更厚的流体(纸浆、沥青、原油等)可能需要定制的压力传感器。然而，有一种压力传感器类型几乎适用于任何情况。

　　解决命名混淆

　　从根本上说，压力传感器、压力传感器和压力变送器在功能上是可比的，因此，这两个术语通常可以互换使用。但是，它们之间的主要区别在于它们的输出信号。

　　压力传感器感应压力的力，并产生与施加的力的大小相对应的输出信号。压力传感器将检测到的力转换为连续电压输出(V)，而压力变送器将检测到的力转换为电流输出(mA)。

　　在通常的用法中，压力传感器可以使用各种术语来指代，例如压力传感器、压力变送器、压力发送器、压力指示器、压力计和压力计。无论给定的命名法如何，这些设备都可用于监测和调节众多应用中的压力，也可用于测量其他变量，例如流体/气体流量、海拔和水位。

　　压力测量类型

　　在压力测量和压力传感器领域，必须理解各种术语，以确保最佳的系统性能和测量精度。应用中使用的特定类型的压力传感器会显著影响这些因素，因为压力通常是相对于参考值测量的，例如海平面的大气压力。

　　一个关键术语是表压，它是相对于当地环境或大气压力的压力测量值。指示的压力高于或低于当地大气压力。

　　另一个重要术语是绝对压力，它是相对于零压力或真空参考的压力测量。无论测量位置如何，使用绝对压力传感器获得的测量结果都保持不变。

　　压差与系统中两个不同点之间的压力差有关，通常用于计算管道内液体或气体的流量。

　　真空压力测量与环境或局部大气压力相比的负压范围。

　　最后，复合压力涉及正压和负压或真空的测量，基本上结合了表压和真空压力。

　　图 1：可视化各种压力测量之间的关系。(图片来源： CUI 器件)

　　常用压力测量技术

　　压力检测、理解和测量的起源可以追溯到 1500 年代后期伽利略和 1600 年代中期托里切利的开创性工作。波登管是第一个压力表，发明于1849年，直到1930年才引入了第一个电输出压力传感器。随着半导体技术的兴起，用于检测这种基本力的不同技术的数量激增。以下是主要压力测量技术及其应用的简要概述：

　　电容的： 检测电容器极板之间的隔膜弯曲压力引起的电容变化。

　　归纳： 检测与磁芯相连的隔膜的微小偏转，从而导致磁芯中的线性运动。这种运动改变了感应电流并转化为电信号。

　　光学的： 利用因压力增加而逐渐被阻挡的光源和产生与光线变化成比例的信号的传感器。光纤传感器还可用于测量由压力引起的光路径和相位的变化。

　　压电的： 石英或陶瓷材料产生的可变电荷与外部压力施加在其上的压缩量成正比。压阻技术利用材料拉伸时电阻的变化来测量压力。

　　电位： 利用电阻装置(电位计)和连接到波登管的滑动臂。随着压力的变化，手臂移动，电位计根据力水平产生相对信号。

　　谐振： 用振动丝施加到隔膜上的力会改变导线的共振频率，该频率被转换为电信号。

　　应变片： 将施加的力(压力)转换为随施加的力波动的电阻变化。然后可以测量该电阻。

　　压力传感器类型

　　要了解压力传感器，查看可用于设计的不同类型也很重要。以下是基本类型，按字母顺序排列：

　　隔膜传感器： 采用在压力下变形的薄而灵活的圆形金属板。

　　密封传感器： 使用海平面的大气压力作为参考压力。

　　固态传感器： 由于没有移动部件，这些传感器使用半导体开关元件(如场效应晶体管)来感测压力。

　　应变片传感器： 测量由外力引起的长度变化引起的电阻并将其转换为电信号。

　　薄膜传感器： 顾名思义，这些传感器利用含有电阻元件的薄膜，这些电阻元件会因压力引起的长度和厚度变化而改变电阻。

　　真空传感器： 设计用于测量低于大气水平的压力。通常，它们利用压电技术或测量特定空间中的气体体积。

　　通风传感器： 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 设备)

　　最终设计注意事项

　　考虑到以前的压力传感器技术、测量和类型，以下是在为特定设计指定压力传感器时要牢记的一些最终选择标准。第一个关键参数是工作压力范围，它标识了制造商指定的设备将执行的安全压力范围。工作温度范围、传感器在发生故障前可以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。还应考虑输出电平、精度和漂移、分辨率、电源电压和环境因素，如温度、湿度、压力、液体暴露、辐射以及传感器与任何接收设备之间的物理距离。通过考虑所有这些参数， 可以为满足必要操作条件和性能要求的特定应用选择合适的压力传感器。

　　结论

　　作为一名电气工程师，重要的是要了解测量压力并利用这些数据进行过程控制和监测在许多行业(例如制造和医疗保健)中至关重要。准确可靠的压力传感对于确保产品和服务的质量和安全是必要的。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。为特定应用选择合适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、电源电压和环境因素。

　　幸运的是，CUI Devices 提供了一系列 基于压电的压力传感器 可以满足这些要求。其传感器有多种压力类型和工作范围可供选择，可实现灵活准确的测量。