揭示工業(yè)應用中 MEMS 壓力傳感器的基礎(chǔ)知識

揭示工業(yè)應用中 MEMS 壓力傳感器的基礎(chǔ)知識 

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

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

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)濟性和更廣泛的工作電源電壓，使創(chuàng)新者能夠為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用部署傳感器。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)”。傳感器類型或應用程序通常定義要使用的單位。例如，在水位應用中，巴或毫巴通常表示壓力值。在汽車輪胎壓力應用中，PSI 更為常見。

通過測量氣壓，壓力也可用于測量垂直距離或高度。以海平面高度為參考，標準海平面為 1013.25 mb（毫巴）。從海平面移動到更高或更低的高度會改變氣壓。這是因為傳感器上方的氣柱質(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。

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

壓力傳感器的類型

一般來說，工業(yè)應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”壓力是低于環(huán)境的壓力。表壓在長時間測量壓力的應用中最有用，幾乎不需要額外校準。

絕對壓力

這種類型的壓力是在絕對真空下測量的。完全真空的絕對壓力為零 PSI。絕對壓力傳感器在必須檢測低于大氣壓的壓力的應用中非常有用。例如，高度計是一種絕對壓力傳感器，用于檢測海平面以上或以下的高度。

差壓

這種壓力類型是測量壓力和第二個參考壓力之間的差值。參考壓力可以是大氣壓力（表壓）或可以高于或低于被測量壓力的其他壓力。差壓傳感器在測量流量時特別有用。

在工業(yè)應用中使用壓力傳感器

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

使用 MEMS 壓力傳感器進行液位檢測

當今廣泛使用的一種應用是罐中的水位或液位檢測。

以下是使用 MEMS 壓力傳感器的液位測量系統(tǒng)的框圖。

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

這種 MEMS 傳感器方法特別適用于需要自動化測量的物聯(lián)網(wǎng)應用。例如，液體難以接近，因此無法使用量油尺或目視浮標進行測量的應用非常適合這些傳感器。

MEMS 壓力傳感器使用單個絕對（大氣壓）壓力傳感器檢測水位，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管中的空氣壓力來測量它，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。

使用絕對壓力傳感器進行液位測量

當使用單個絕對壓力傳感器進行液位測量時，應用軟件應管理零偏移。零偏移設(shè)置在用液體填充容器之前的零壓力參考。隨后的壓力測量值以該零參考為參考。

一些應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)置藍牙連接的智能傳感器通常會這樣做，以允許無線監(jiān)控傳感器。在這些系統(tǒng)中，遠程訪問是強制性的，第二個壓力傳感器可以作為參考，本質(zhì)上是創(chuàng)建一個差分傳感器。圖 3 顯示了第二個絕對壓力傳感器作為零參考，有效地模擬了差分傳感器。

第二個傳感器不斷測量環(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人機和機器人應用

無人機和機器人應用是壓力傳感器的其他關(guān)鍵應用。無人機使用氣壓傳感器來檢測高度，這對于高度保持非常有用。

由于傳感器體積小、功耗低、噪聲低、精度高和抗振動性，現(xiàn)代壓力傳感器可以檢測到 <3 m 的絕對高度，而可檢測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）組件在無人機必須在允許的高度或“槽”內(nèi)飛行的情況下極為重要。

       與無人機中的高度計應用類似，壓力傳感器可以檢測遠程信息處理和資產(chǎn)跟蹤應用中的飛機起飛和降落。

例如，當機艙門在起飛前關(guān)閉時，壓力傳感器會檢測飛機內(nèi)的瞬時壓力變化（下圖 ）。

該傳感器可以在起飛時關(guān)閉資產(chǎn)跟蹤器 GPS，以延長系統(tǒng)的電池壽命。在當?shù)卣ㄒ?guī)規(guī)定在飛行中使用 GPS 無線電的市場中，控制 GPS 活動也很重要。

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

       這種方法將兩個絕對壓力傳感器放置在一個大腔和小腔中，并檢測每個腔中的壓力。對于任何氣流，小部分的壓力較高，而較大的腔體中的壓力較低。測量管道上的壓力差可以計算流量。

利用 MEMS 技術(shù)進行壓力傳感

總而言之，壓力傳感器有很多不同的類型，而 MEMS 技術(shù)的進步使半導體行業(yè)能夠大批量生產(chǎn)經(jīng)濟的壓力傳感器。

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

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

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