揭示工業(yè)應(yīng)用中 MEMS 壓力傳感器的基礎(chǔ)知識(shí)

揭示工業(yè)應(yīng)用中 MEMS 壓力傳感器的基礎(chǔ)知識(shí) 

壓力傳感器用于廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)環(huán)境中。一起來(lái)了解壓力傳感器的類(lèi)型及其用例。

壓力傳感器用于工業(yè)市場(chǎng)的各種應(yīng)用。不斷的改進(jìn)使這些傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)新的應(yīng)用，而不僅僅是在蒸汽和流體壓力檢測(cè)等傳統(tǒng)應(yīng)用中的使用。

最近，新的低功耗傳感器技術(shù)的出現(xiàn)，具有更小的尺寸、更集成的功能、更好的經(jīng)濟(jì)性和更廣泛的工作電源電壓，使創(chuàng)新者能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用部署傳感器。此外，這些傳感器有助于重新努力創(chuàng)造更可持續(xù)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品消耗更少的功率并嵌入額外的創(chuàng)新功能。

       了解壓力傳感的壓力

壓力表示施加在具有給定單位面積的表面上的力。報(bào)告壓力的常用單位包括“帕斯卡”、“巴”和磅/平方英寸 (“PSI)”。傳感器類(lèi)型或應(yīng)用程序通常定義要使用的單位。例如，在水位應(yīng)用中，巴或毫巴通常表示壓力值。在汽車(chē)輪胎壓力應(yīng)用中，PSI 更為常見(jiàn)。

通過(guò)測(cè)量氣壓，壓力也可用于測(cè)量垂直距離或高度。以海平面高度為參考，標(biāo)準(zhǔn)海平面為 1013.25 mb（毫巴）。從海平面移動(dòng)到更高或更低的高度會(huì)改變氣壓。這是因?yàn)閭鞲衅魃戏降臍庵|(zhì)量取決于傳感器的位置。較高的高度具有較低的空氣質(zhì)量頭頂，因此較低的壓力。

傳感器還可以測(cè)量液體、氣體和固體的壓力，以測(cè)量深度、調(diào)節(jié)流量或出于許多其他原因提供反饋。

壓力傳感器的類(lèi)型

一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)應(yīng)用中最常用的壓力傳感器有三種：表壓、絕壓和差壓。

表壓

表壓參考大氣壓或環(huán)境壓力的測(cè)量值，通常為 14.7 PSI 或 1013.25 mb。“正”壓力是高于環(huán)境的壓力，“負(fù)”壓力是低于環(huán)境的壓力。表壓在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量壓力的應(yīng)用中最有用，幾乎不需要額外校準(zhǔn)。

絕對(duì)壓力

這種類(lèi)型的壓力是在絕對(duì)真空下測(cè)量的。完全真空的絕對(duì)壓力為零 PSI。絕對(duì)壓力傳感器在必須檢測(cè)低于大氣壓的壓力的應(yīng)用中非常有用。例如，高度計(jì)是一種絕對(duì)壓力傳感器，用于檢測(cè)海平面以上或以下的高度。

差壓

這種壓力類(lèi)型是測(cè)量壓力和第二個(gè)參考?jí)毫χg的差值。參考?jí)毫梢允谴髿鈮毫Γū韷海┗蚩梢愿哂诨虻陀诒粶y(cè)量壓力的其他壓力。差壓傳感器在測(cè)量流量時(shí)特別有用。

在工業(yè)應(yīng)用中使用壓力傳感器

壓力傳感器在工業(yè)應(yīng)用中有許多用例，并且已經(jīng)使用了幾種已知的方法數(shù)十年。然而，趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)更小、更智能、更節(jié)能的傳感器，以使最終應(yīng)用受益。

使用 MEMS 壓力傳感器進(jìn)行液位檢測(cè)

當(dāng)今廣泛使用的一種應(yīng)用是罐中的水位或液位檢測(cè)。

以下是使用 MEMS 壓力傳感器的液位測(cè)量系統(tǒng)的框圖。

 該系統(tǒng)在許多應(yīng)用中都很常見(jiàn)，包括消費(fèi)或工業(yè)洗衣機(jī)、呼吸設(shè)備、咖啡機(jī)和其他液位檢測(cè)系統(tǒng)。

這種 MEMS 傳感器方法特別適用于需要自動(dòng)化測(cè)量的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。例如，液體難以接近，因此無(wú)法使用量油尺或目視浮標(biāo)進(jìn)行測(cè)量的應(yīng)用非常適合這些傳感器。

MEMS 壓力傳感器使用單個(gè)絕對(duì)（大氣壓）壓力傳感器檢測(cè)水位，該傳感器連接到插入流體中的軟管或膠管。MEMS 傳感器必須位于要測(cè)量的流體上方。

液體部分填充口香糖管，用液體代替空氣，迫使空氣流向壓力傳感器。傳感器不需要接觸液體并通過(guò)管中的空氣壓力來(lái)測(cè)量它，這很容易與容器中的液體量相關(guān)聯(lián)。容器中的液體越多，管中的壓力就越高。

使用絕對(duì)壓力傳感器進(jìn)行液位測(cè)量

當(dāng)使用單個(gè)絕對(duì)壓力傳感器進(jìn)行液位測(cè)量時(shí)，應(yīng)用軟件應(yīng)管理零偏移。零偏移設(shè)置在用液體填充容器之前的零壓力參考。隨后的壓力測(cè)量值以該零參考為參考。

一些應(yīng)用程序可以使用微控制器單元 (MCU) 和專用軟件例程設(shè)置零參考。

具有內(nèi)置藍(lán)牙連接的智能傳感器通常會(huì)這樣做，以允許無(wú)線監(jiān)控傳感器。在這些系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程訪問(wèn)是強(qiáng)制性的，第二個(gè)壓力傳感器可以作為參考，本質(zhì)上是創(chuàng)建一個(gè)差分傳感器。圖 3 顯示了第二個(gè)絕對(duì)壓力傳感器作為零參考，有效地模擬了差分傳感器。

第二個(gè)傳感器不斷測(cè)量環(huán)境空氣壓力，然后可以從壓力值中減去該壓力值以獲得管中的表壓。

將壓力傳感器用于無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用

無(wú)人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用是壓力傳感器的其他關(guān)鍵應(yīng)用。無(wú)人機(jī)使用氣壓傳感器來(lái)檢測(cè)高度，這對(duì)于高度保持非常有用。

由于傳感器體積小、功耗低、噪聲低、精度高和抗振動(dòng)性，現(xiàn)代壓力傳感器可以檢測(cè)到 <3 m 的絕對(duì)高度，而可檢測(cè)到的最小高度變化僅為幾厘米。

為了避免碰撞，高度或 z 軸（如下圖所示）組件在無(wú)人機(jī)必須在允許的高度或“槽”內(nèi)飛行的情況下極為重要。

       與無(wú)人機(jī)中的高度計(jì)應(yīng)用類(lèi)似，壓力傳感器可以檢測(cè)遠(yuǎn)程信息處理和資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中的飛機(jī)起飛和降落。

例如，當(dāng)機(jī)艙門(mén)在起飛前關(guān)閉時(shí)，壓力傳感器會(huì)檢測(cè)飛機(jī)內(nèi)的瞬時(shí)壓力變化（下圖 ）。

該傳感器可以在起飛時(shí)關(guān)閉資產(chǎn)跟蹤器 GPS，以延長(zhǎng)系統(tǒng)的電池壽命。在當(dāng)?shù)卣ㄒ?guī)規(guī)定在飛行中使用 GPS 無(wú)線電的市場(chǎng)中，控制 GPS 活動(dòng)也很重要。

用于空氣、氣體和液體的流量和泄漏檢測(cè)的工業(yè)壓力傳感器的應(yīng)用正在增長(zhǎng)。芯片制造商對(duì)大多數(shù)現(xiàn)代壓力傳感器進(jìn)行了預(yù)校準(zhǔn)，這些傳感器已經(jīng)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生了高精度的輸出。使用兩個(gè)絕對(duì)壓力傳感器來(lái)測(cè)量氣體或空氣的流量是一種新興的低成本且可以實(shí)現(xiàn)的優(yōu)雅方法（下圖 ）。  

       這種方法將兩個(gè)絕對(duì)壓力傳感器放置在一個(gè)大腔和小腔中，并檢測(cè)每個(gè)腔中的壓力。對(duì)于任何氣流，小部分的壓力較高，而較大的腔體中的壓力較低。測(cè)量管道上的壓力差可以計(jì)算流量。

利用 MEMS 技術(shù)進(jìn)行壓力傳感

總而言之，壓力傳感器有很多不同的類(lèi)型，而 MEMS 技術(shù)的進(jìn)步使半導(dǎo)體行業(yè)能夠大批量生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)的壓力傳感器。

小尺寸、低功耗、嵌入式補(bǔ)償和堅(jiān)固的封裝使 MEMS 壓力傳感器能夠用于許多以前可能的工業(yè)應(yīng)用。

現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)使用多種傳感器技術(shù)來(lái)部署運(yùn)行效率更高、能源浪費(fèi)更少的系統(tǒng)。  

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