什么是压力传感器？
压力是作为一个测量量被定义：可以描述为液体或气体在表面上的作用力，它通常以单位面积的力作为测量单位。常见的单位是Pascal (Pa), Bar (bar), N/mm2 或 psi（磅/每平方英寸）。
传感器定义：传感器是一种测量物理量并将其转化为信号的装置。测量量可以是温度，长度，力，或者压力等。信号通常为电信号，但也可以是光信号。
压力传感器定义：压力传感器是由压力敏感元件组成的仪器，以确定施加到传感器上的实际压力（使用不同的工作原理）并将压力信息转换为输出信号。
压力传感器是用于测量液体与气体的压强的传感器。与其他传感器类似，压力传感器工作时将压力转换为电信号输出。
压力传感器在很多监测与控制应用中得到大量的使用。除了直接的压力测量，压力传感器同时也可用于间接测量其他量，如液体/气体的流量，速度，水面高度或者海拔高度。
压力传感器在使用的技术，设计，性能表现，工作适应条件与价格上有很大的差异。初略估计，全世界有60种以上技术的压力传感器和至少300家企业生产压力传感器。
同时，也有一类的压力传感器设计用于动态测量高速变化的压强。示例的应用有引擎气缸的燃烧压力或者涡轮发动机中气体的压强监测。这样的传感器一般以压电材料制造，例如石英。
一些压力传感器，例如应用于交通执行照相机中的，则以二进制方式运行，也就是，当压力达到某数值，则传感器控制接通或断开电路，这类型的压力传感器也被称作压力开关。
压力传感器的工作原理
压力传感器（Pressure Sensor）是一种用于测量气体或液体压力的设备。它通过将压力信号转换为电信号，从而实现对压力的检测和控制。
其工作原理根据不同类型可以有所差异，以下是几种常见类型压力传感器的工作原理：
1. 应变式压力传感器（应变电阻式）
2. 压电式压力传感器
-
工作原理： 利用压电材料（如石英）的压电效应。压力使压电晶体内部电荷分布发生变化，形成电压信号。
-
特点： 响应速度快、适用于动态压力测量（如冲击、振动）。
3. 电容式压力传感器
- 工作原理： 压力引起电容器两极板间距变化，导致电容值改变。
- 结构： 一极固定，另一极为可变形的膜片，随着压力变化发生微小形变。
- 优点： 灵敏度高，功耗低。
4. 光纤式压力传感器
-
工作原理： 压力变化影响光纤中光的传播特性（如强度、相位、波长），通过检测这些变化来测量压力。
-
优点： 抗电磁干扰能力强，适用于恶劣环境。
5. 半导体压力传感器（MEMS）
压力传感器可使用多种不同的技术来提供精确的结果。
- 基于应变的压力传感器使用应变片作为压力敏感元件，通常是将金属箔式应变片或是膜片粘合到圆柱形弹性体上。应变原理的压力传感器最大优点是具有极高刚度，可测量高达15000 bar 的极高压力。电连接通常通过惠斯通电桥完成，具有极高的精确性和一致的测量结果。
- 电容式压力传感器使用压力腔和膜片来产生可变电容。当施加压力时，隔膜变形，电容相应减小。通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。这些传感器仅限于大约40 bar 的低压。
- 压阻式压力传感器由一个主要由硅制成的膜片组成，采用集成的应变片来检测施加的压力而产生的应变。通常采用惠斯通电桥来降低灵敏度并增加输出。由于所使用的材料，压力限制在 1000 bar 左右。
- 与上述技术不同的是，谐振式压力传感器使用测量机构的共振频率的变化来测量由施加的压力引起的应力。根据这种传感器的设计，谐振元件可以暴露于介质，其中谐振频率取决于介质的密度。通常这些传感器会对冲击和振动敏感。
另外不使用测量体的其它压力传感器有热或电离压力传感器，其利用由于带电粒子的流动中的密度变化来测量所施加的压力。
压力传感器类型
压力传感器的类型多种多样，主要可以根据工作原理、输出信号类型、被测介质或应用领域进行分类。
一、按工作原理分类：
-
应变式压力传感器
利用应变电阻的变化来检测压力。当膜片受压变形时，粘附在其上的应变片电阻随之变化，经过电桥转换成电压信号。广泛用于工业测量中。 -
压电式压力传感器
采用压电晶体（如石英），在受压时会产生电荷，从而形成电压信号。这种类型适合测量动态压力，如爆炸冲击、震动等。 -
电容式压力传感器
利用电容器的极板间距随压力变化而改变的原理，电容值随之变化，通过电路转换成电信号。它灵敏度高、功耗低，常用于气体检测和医疗设备。 -
光纤式压力传感器
基于压力对光纤中光信号的影响来进行测量。因其抗电磁干扰强，非常适用于高压、高温或有电磁干扰的环境，如油田、军工和航空领域。 -
MEMS压力传感器
是一种基于微电子机械系统技术的传感器，内部通常使用应变、电容、电阻等微型感应结构制成。体积小、集成度高、适合消费电子、汽车、医疗设备等领域。 -
电感式压力传感器
压力导致电感线圈间的磁通变化，进而影响电感量，从而测出压力变化。这种结构简单，但灵敏度和精度相对较低。 -
磁敏式压力传感器
当压力作用时，磁性材料的位置或磁场特性发生变化，结合霍尔元件输出电信号。适用于封闭或特殊环境中的压力测量。
| 类型 | 原理 | 优点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 应变式压力传感器 | 应变电阻随压力变化而变化 | 成熟技术，精度高 | 工业自动化、机械制造 |
| 压电式压力传感器 | 压电材料受力后产生电荷 | 响应快，适合动态压力 | 冲击测试、爆炸压力 |
| 电容式压力传感器 | 压力改变电容值 | 灵敏度高，功耗低 | 医疗、气体检测 |
| 光纤式压力传感器 | 压力改变光信号 | 抗干扰强，适合恶劣环境 | 航空航天、油气钻井 |
| MEMS压力传感器 | 基于微机电系统，常结合应变、电容或热敏原理 | 微型化、集成度高 | 智能手机、汽车、医疗设备 |
| 电感式压力传感器 | 压力改变线圈电感 | 结构简单 | 一些低精度场合 |
| 磁敏式压力传感器 | 压力使磁性材料产生变化，引起霍尔效应 | 可远距离传输信号 | 污染严重、密封环境 |
二、按输出信号分类：
-
模拟型压力传感器：输出连续变化的模拟电压或电流信号，比如 0-5V 或 4-20mA 信号，广泛用于传统工业系统。
-
数字型压力传感器：直接输出数字信号，常见的通讯协议包括 I²C、SPI、CAN 等，常见于现代电子设备。
-
开关型压力传感器：当压力达到预设值时，输出一个开或关的信号，常用于报警系统或自动控制中。
| 类型 | 输出 | 举例 |
|---|---|---|
| 模拟型 | 模拟电压、电流（如4~20mA） | 工业传感器 |
| 数字型 | 数字信号（如I²C、SPI、CAN） | MEMS传感器、智能设备 |
| 开关型 | 达到设定压力后输出开关信号 | 压力开关 |
三、按测量方式分类：
-
表压传感器：测量的是相对于大气压的压力，是最常见的一种方式，比如轮胎气压表。
-
绝压传感器：以真空为参考点，测量的是绝对压力，常用于科学研究或真空系统中。
-
差压传感器：测量两个点之间的压力差，常用于监测液体或气体的流动，比如用在过滤器或流量计上。
三、按压力类型分类
| 类型 | 测量方式 | 说明 |
|---|---|---|
| 表压传感器（Gauge） | 相对于大气压 | 常见于轮胎、锅炉 |
| 绝压传感器（Absolute） | 相对于真空 | 真空系统 |
| 差压传感器（Differential） | 测两个点的压力差 | 流量计、过滤器监测 |
四、 按用途/应用分类
五、按测量方式分类：
压力传感器可以通过它们所能测量的压强范围，工作温度以及压强类型而进行分类；其中最重要的是压强类型。若依压强类型分类的方式中，压力传感器可以分为以下五类：
- 绝对压力传感器：
- 这种压力传感器量测流体真正的压强，也就是相对于真空压强下的压强。海平面上的绝对大气压力是101.325kPa（14.7 PSI）。以真空为参考点，测量的是绝对压力，常用于科学研究或真空系统中。
- 表压力传感器（gauge pressure sensor）：
- 这种压力传感器可以量测某一特定的位置下，相对大气压的压强，胎压计就是一个例子，当胎压计显示读数为0PSI，表示轮胎内部的压力等于大气压力，为14.7PSI。测量的是相对于大气压的压力，是最常见的一种方式，比如轮胎气压表。
- 真空压力传感器：
- 压差计：
- 此仪器用来量测二个压强之间的压强差，例如量测滤油器两端的压力差，压差计也用来量测流量或量测压力容器内的液面高度。
- 密封压力传感器：
- 此仪器和表压力传感器类似，不过此仪器会经过特别的校正，其量测的压强是相对海平面的压强。
供电要求
恒流源和恒压源都是通常压力传感器采用的两种激励。两种激励方法是有区别的，其作用不同。恒流源激励有利于热灵敏度漂移的补偿作用。因为桥臂电阻器的温度系数为正，而灵敏度温度系数为负。恒流激励时的输出信号电压的温度系数是两者的代数和。而恒压激励不能直接提供灵敏度温度补偿效果。但用恒压源激励时可在桥外串接热敏电阻或二极管以补偿热灵敏度漂移。用横流激励时，这种灵敏度补偿方法便不起作用。可见，恒压源和恒流源激励互相之间不能随意互换。
压强侦测技术
压力传感器的应用
压力传感器的应用非常广泛，几乎涵盖了我们生活和工业中的各个领域。下面我用通俗易懂的方式为你列出常见的几个应用场景：
1. 工业自动化与制造
在工厂里，压力传感器是自动化系统中的关键元件，用于：
- 检测液压系统或气动系统中的压力
- 控制机械手臂的动作力
- 监控锅炉、泵、压缩机等设备的运行状态
- 保障设备在安全压力范围内工作，防止爆炸或泄漏
2. 汽车领域
现代汽车中有很多压力传感器，用于提升性能与安全性，比如：
3. 医疗设备
在医疗领域，压力传感器用于精密控制和监测，例如：
- 电子血压计：测量人体血压
- 呼吸机：实时监控患者吸入/呼出气体的压力
- 输液泵：控制药液输送压力
- 手术室负压环境控制
4. 消费电子产品
很多日常使用的智能设备中也内置了压力传感器，比如：
- 智能手表和运动手环：用于测量气压，从而判断海拔或天气变化
- 手机气压计：可用于导航时精确定位高度差
- 游戏手柄或触控设备：感知压力强弱实现更多操作方式
5. 航空航天
压力传感器在飞行控制与导航中是关键部件，例如：
- 测量舱内外气压差，保障飞行安全
- 辅助飞行高度和速度测算
- 控制燃油和液压系统运行
6. 石油与化工行业
在这些高风险行业中，压力传感器常用于：
- 管道压力监控
- 储罐内液位或压力测量
- 爆炸或泄漏的预警系统
- 高温高压下的工艺控制
7. 建筑与智能家居
- 楼宇供水系统压力监测
- 智能消防管网压力控制
- 电梯气压传感器用于判断楼层高度