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(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。在汽車輪胎壓力應(yīng)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(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(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)境壓力的測量值，通常為 14.7 PSI 或 1013.25 mb?！罢眽毫κ歉哂诃h(huán)境的壓力，“負(fù)”壓力是低于環(huán)境的壓力。表壓在長時(shí)間測量壓力的應(yīng)用中最有用，幾乎不需要額外校準(zhǔn)。

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(yīng)用中非常有用。例如，高度計(jì)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(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量壓力的其他壓力。差壓傳感器在測量流量時(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，趨勢是開發(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

當(dāng)今廣泛使用的一種應(yīng)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(yīng)用中都很常見，包括消費(fèi)或工業(yè)洗衣機(jī)、呼吸設(shè)備、咖啡機(jī)和其他液位檢測系統(tǒng)。

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

MEMS 壓力傳感器使用單個(gè)絕對（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(jìn)行液位測量

當(dāng)使用單個(gè)絕對壓力傳感器進(jìn)行液位測量時(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，以允許無線監(jiān)控傳感器。在這些系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程訪問是強(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(jī)和機(jī)器人應(yīng)用

無人機(jī)和機(jī)器人應(yīng)用是壓力傳感器的其他關(guān)鍵應(yīng)用。無人機(jī)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(dòng)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(jī)必須在允許的高度或“槽”內(nèi)飛行的情況下極為重要。

       與無人機(jī)中的高度計(jì)應(yīng)用類似，壓力傳感器可以檢測遠(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)艙門在起飛前關(guān)閉時(shí)，壓力傳感器會(huì)檢測飛機(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 無線電的市場中，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的工業(yè)壓力傳感器的應(yīng)用正在增長。芯片制造商對大多數(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(shí)現(xiàn)的優(yōu)雅方法（下圖 ）。  

       這種方法將兩個(gè)絕對壓力傳感器放置在一個(gè)大腔和小腔中，并檢測每個(gè)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(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)來部署運(yùn)行效率更高、能源浪費(fèi)更少的系統(tǒng)。  

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