了解壓力傳感器：這種設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、汽車和消費(fèi)領(lǐng)域，用于感知壓力并將其轉(zhuǎn)化為電能。感知物理世界中的條件和變化是電氣工程的基本任務(wù)之一。在本文中，我們將了解壓力傳感器，它們能夠感知壓力并將其轉(zhuǎn)化為電能。我們將在下一部分回顧“壓力傳感器”的詳細(xì)定義，然后繼續(xù)介紹不同類型的壓力傳感器及其工作原理。

什么是壓力傳感器？

那么，壓力傳感器到底是什么？除了上述的簡短解釋之外，我們可以進(jìn)一步探討。為此，我們可以將問題分為兩部分。首先，什么是壓力？其次，什么是傳感器？

什么是壓力？

在這個語境中，壓力是指作用在物體表面單位面積上的力，且該力的方向垂直于物體表面。這種力通常與流體（即液體或氣體）有關(guān)。絕對壓力測量以理論上的零壓力為參考點(diǎn)，而表壓（gauge pressure）測量則以大氣壓力為參考點(diǎn)。絕對壓力與表壓之間的區(qū)別是一個重要的提醒：對我們?nèi)祟悂碚f，感覺上的“零壓力”實際上并不是真正的零壓力。我們始終生活在大氣壓力之下，大氣壓力大約為每平方英寸施加14.7磅的力（14.7 psi）。如果說從出生到死亡都生活在14.7 psi的環(huán)境中聽起來有點(diǎn)不公平，那么生活在0 psi的環(huán)境中將會更糟糕——真正的零壓力是一個完美的真空環(huán)境，會導(dǎo)致瞬間死亡。

什么是傳感器？

“傳感器”和“傳感器”這兩個術(shù)語經(jīng)常被交替使用。這并不奇怪，因為許多傳感器也是傳感器，而我們今天要討論的許多傳感器（包括壓力傳感器）也是傳感器。然而，這兩個詞本身暗示了微妙的差別。傳感器用于感知（即檢測或測量）物理量，并將這些信息提供給用戶。例如，水銀溫度計是一種傳感器——它允許熱量作用于一種物質(zhì)，從而讓人們能夠輕松地測量溫度。傳感器不僅僅測量物理量，它們還會將能量從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。在大多數(shù)情況下，輸入能量或輸出能量中的一種會以電信號的形式出現(xiàn)。例如，麥克風(fēng)是一種傳感器，因為它將聲能轉(zhuǎn)換為電壓信號。如今，傳感器產(chǎn)生的信號通常會被模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣，以便利用數(shù)字電路進(jìn)行處理和分析。經(jīng)過數(shù)十年的創(chuàng)新，人們已經(jīng)開發(fā)出一系列令人印象深刻的傳感器，用于將加速度、溫度、磁場強(qiáng)度、光強(qiáng)等物理量轉(zhuǎn)換為電信號。即使我們只考慮壓力傳感器，也有幾種不同類型。這些包括：

1. 電容式

2. 電感式

3. 電阻式

4. 壓電式

電容式和電感式壓力傳感器

電容器是一種無源器件，因此它本身無法產(chǎn)生信號。然而，電容器可以被集成到一個有源電路中，使得電容的變化能夠?qū)е滦盘柕淖兓?。平行板電容器的電容由以下因素決定：

1. 極板的面積

2. 極板之間的距離

3. 極板之間絕緣材料的介電常數(shù)

電容式壓力傳感器（圖1）將平行板電容器與一個膜片結(jié)合在一起。當(dāng)壓力發(fā)生變化時，膜片會導(dǎo)致極板之間的距離發(fā)生變化，從而改變電容值。圖1. 用于工業(yè)應(yīng)用的電容式壓力傳感器。

圖中展示的是一種能夠?qū)毫D(zhuǎn)換為14位數(shù)字輸出值的工業(yè)壓力傳感器。圖片來源于TE Connectivity。

類似的設(shè)計原理也可以應(yīng)用于電感式設(shè)備。在電感式壓力傳感器中，壓力的變化會改變一個鐵磁芯的位置，從而導(dǎo)致信號的變化。

電阻式壓力傳感器

我們將討論三種利用電阻來測量壓力的傳感器：

1. 應(yīng)變片（Strain Gauges）

2. 壓阻式壓力傳感器（Piezoresistive Pressure Sensors）

3. 電位器式壓力傳感器（Potentiometric Pressure Sensors）

從技術(shù)上講，最后兩種傳感器實際上包含傳感器和額外的電路。然而，將這些設(shè)備作為一個整體來考慮會更有用，而“包含傳感器的壓阻式（或電位器式）壓力傳感器”這樣的表述顯得有些冗長。

應(yīng)變片

顧名思義，應(yīng)變片（圖2）用于測量應(yīng)變，應(yīng)變是指在施加力的方向上發(fā)生的物理變形。應(yīng)變片中的導(dǎo)電物體因變形而導(dǎo)致電阻發(fā)生變化。由于應(yīng)變是由力引起的，而壓力是單位面積上的力，因此應(yīng)變片技術(shù)可以作為壓力傳感器的基礎(chǔ)。

圖2. 粘貼式應(yīng)變片的布局。圖片來源于All About Circuits。

盡管應(yīng)變片本身在技術(shù)上已經(jīng)構(gòu)成了一個傳感器，但大多數(shù)情況下，這種技術(shù)會與一個電路結(jié)合，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號。

壓阻式和電位器式壓力傳感器

壓阻式壓力傳感器在工作原理上與應(yīng)變片相似，但在結(jié)構(gòu)上有所不同。它們具有高性能和低成本的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用。另一種基于電阻的壓力測量方法涉及使用帶有壓力敏感元件的電位器。該元件會使電位器的滑動端移動。與應(yīng)變片類似，電阻的變化可以通過外部電路測量并轉(zhuǎn)換為電壓信號。

壓電式壓力傳感器

壓電材料（例如電子振蕩器中使用的石英晶體）會在受到機(jī)械應(yīng)力時產(chǎn)生電荷變化。機(jī)械應(yīng)力是由施加的力引起的，而力與電荷之間存在直接關(guān)系。因此，可以圍繞壓電元件和膜片構(gòu)建壓力傳感器（圖3）。壓電式壓力傳感器通常具有堅固耐用和高響應(yīng)性的特點(diǎn)。

圖3. 一種結(jié)合了晶體-膜片系統(tǒng)和放大電路的壓電式壓力傳感器。圖片來源于PCB Piezotronics。

總結(jié)

電氣工程師在設(shè)計中融入壓力測量時有多種選擇。正如通常情況一樣，需要進(jìn)行一些研究并仔細(xì)考慮，以確定特定項目中最佳的壓力傳感器。