压力传感器解析：从知识原理到典型应用的全面探索

一、导语

压力传感器，作为传感器家族中的重要成员，其身影遍布工业、医疗、汽车等多个领域，发挥着不可替代的作用。

感算商城《传感世界全解析》专题内容第二期将带大家深入探索压力传感器的知识、测量原理、分类、典型应用等。

二、压力知识简介

压力，是物理学中的一个基本概念，指的是垂直作用在物体表面上的力与其接触面积的比值。在日常生活中，我们无时无刻不在感受着压力的存在，无论是大气压力、水压，还是机械部件之间的接触压力，都是压力传感器的“用武之地”。

我们中学物理熟悉的托里拆利实验，测试的就是大气压力。

1648年法国科学家帕斯卡听到托里切利和实验和伽利略的实验后，致力研究结果产生的原因，最后他得出水银柱下降的高度等于空气的质量，他用公式阐明了这种力量，他称之为“压力”。后来为纪念他为研究压力所做出的贡献，将压力的单位定义为“帕斯卡”。

下面我们来看看压力常用的单位：

国际标准单位采用帕斯卡（Pa）来衡量压强，其中，一个大气压（ATM）对应为105Pa。随着海拔的攀升，大气压会逐渐降低，这一特性使得部分压力表能够兼用于测量海拔高度。当飞机攀升至万米高空时，气压相较于海平面会大约降低30%，因此，为确保乘客的舒适度，飞机内部必须增加气压。而在飞机下降过程中，由于气压差异的变化，乘客可能会感受到耳鸣的不适。

在英美地区，人们习惯使用PSI（磅力/平方英寸）或inH2O（英寸水柱）作为压强的计量单位。

在此，我们需要对“力”这一概念进行明确：力是指垂直作用于物体表面某一点上的力量。其度量单位包括公斤（Kg）和牛顿（N）。例如称重、推力、力矩等，这些均属于力/力矩传感器的测量范畴，我们将在后续内容中分期进行详细解读。

三、压力传感器的测量原理

压力传感器的工作原理多种多样，但归根结底都是将压力这一物理量转化为电信号进行传输和处理。

压力传感器的种类繁多，如压阻式压力传感器、压电式压力传感器、电阻应变式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器、薄膜压力传感器等。

目前应用较为广泛的压力传感器有：扩散硅压阻式（MEMS)压力传感器、陶瓷压阻式压力传感器、陶瓷电容式压力传感器，应变式压力传感器，溅射薄膜压力传感器、耐高温特性的蓝宝石压力传感器。

后面感算将会分期具体介绍以下品类：MEMS压力传感器、陶瓷压力传感器、微熔压力传感器等。

四、压力传感器的分类

根据测量的类型，压力传感器可以分为：

1、表压传感器：用于测量介质相对于大气压的压力。 测量的压力对应的是大气压，英文表示为G(Gauge)。

2、差压传感器：用于测量两个不同介质之间的压力差。差压传感器主要是测量两种压力的差值，英文表示为D (Differential)。

3、密封压力传感器：用于测量介质相对于一定密封压的压力。密封压力可以在生产传感器时自己进行选择。英文表示为S(Sealed) 。

4、复合压力传感器：测量负表压和正表压。复合压力传感器提供从全真空到零压力再到满量程压力的线性输出信号。 英文表示为C(compound) 图示参考差压传感器。

五、压力传感器的典型应用

压力传感器凭借其广泛的应用领域和独特的测量能力，在多个行业中发挥着重要作用。以下是一些典型的应用场景：

1、工业领域：在工业制造过程中，压力传感器被广泛应用于流体压力监测、设备运行状态监控、生产过程控制等环节，为工业生产的自动化和智能化提供了有力支持。

1) 喷涂设备

无气喷涂系统，在喷涂系统中，涂料能被均匀的雾化，需要实时控制喷涂材料罐内的压力，压力传感器安装于喷涂材料容器顶部，用于监测喷涂系统内部压力。

2）注胶系统

注胶机器人系统，胶水的流速/流量是根据压力进行控制。压力传感器用于注胶系统中压力的检测，传感器安装于压力管路，压力管路连接于胶水容器中，控制系统实时监测管路压力，实时调节保证系统压力稳定。传感器需要齐平膜，防腐蚀，小尺寸。

3）注塑机

注塑装置负责在往复式螺杆筒中加热材料，并将其分配到模腔中。注塑模具材料通常在高压下流动，如果注塑压力不正确，材料可能导致模制部件有缺陷、损坏模具和机器停机等影响。

4）液压系统

液压系统的压力是所有液压执行器的工作动力，是大多数液压控制部件的控制中心，应用于液压管道中，可直接反映液压系统的工作状态，是整个系统的核心。压力传感器是液压系统中的关键部件，它可以配合PLC更好的完成目标压力的控制精度要求。

5）半导体行业MFC

半导体用的气体质量流量控制器（MFC）可以用压力传感器来进行换算流量。

6）气体阀控制

在工业生产流程中，气压阀通过集成精密的压力传感器，实现对各类工业过程气压的精细调控，从而确保生产作业达到高度的准确性和可靠性。

2、汽车领域：在汽车制造中，压力传感器广泛应用于发动机燃油喷射控制、制动系统压力监测、轮胎压力监测等，为汽车的安全、节能和舒适性提供了保障。

1）动力系统

汽车动力系统的高效控制中，进气压力传感器作为一项关键技术，正发挥着重要的作用。进气压力传感器能够准确测量发动机进气道的压力，为发动机控制单元提供重要的数据支持。它不仅保证发动机的工作稳定和高效，还为汽车的动力输出和燃油经济性提供了关键的基础。

2）制动系统

汽车制动压力传感器可用于对带油压助力装置的制动系统进行油压控制。它可敏锐检测出储压器的压力、输出油泵的闭合或断开信号以及油压的异常报警等。

3）电池包检测

压力传感器通常安装在电池包内部关键位置，以保证实现对整个电池包内气体压力的准确监测。它通过感受电池包内气体压力的变化，并将压力信号转化为电信号输出，供监测系统进行实时监控和处理。

4）胎压检测

胎压监测系统简称“TPMS”，自2020年1月1日起，所有在产乘用车将开始实施强制安装TPMS（胎压监测系统）的要求。 TPMS与安全气囊、ABS（防抱死）系统构成汽车三大安全系统。

3、医疗领域：在医疗领域，压力传感器被广泛应用于血压测量、呼吸机压力监测、血液透析压力控制等方面，为医疗设备的精确控制和患者的安全提供了重要支持。

1） 血压测量

分无创和有创血压测量。无创常见的有臂式血压计和台式血压计。

有创血压测量技术通常被应用于ICU（重症监护病房）中，专用的压力传感器会直接与患者血液接触，以确保测量的准确性。为了满足医疗安全与卫生的要求，这些压力传感器通常采用一次性设计，以保障每次测量的无菌性和患者的安全。

2） 呼吸机

呼吸机一般要使用6颗左右的压力传感器：2颗绝压（或表压）式压力传感器用于气道压力测量，2颗差压式压力传感器用于流量（流速）测量，1颗绝压（表压）式压力传感器与1颗差压式压力传感器用于构成自检系统，用于对各气道压力传感器做压力值比较，进行故障报警。

3） 透析仪

透析机中的压力传感器对于治疗各个阶段的实时血压监测至关重要。动脉传感器跟踪患者的血压，同时确保红细胞免受伤害。 另一方面，静脉传感器跟踪透析血液返回患者体内的压力，并有助于检测潜在问题，如管道阻塞。

4） IVD 血液分析仪

在IVD仪器中，可以通过压力传感器检测的压力反馈给控制系统，从而来控制泵、阀等器件的启停。也可以通过压力传感器检测的压力反馈给报警系统，来对系统的工作状态和器件状态进行报警。以便操作人员准确掌握仪器的状态，以及工程师对问题进行准确定位。

4、消费领域：MEMS压力传感器在消费电子市场的应用日益广泛，尤其是在智能手机和智能手表等设备中。这些传感器能够提供高度精确的压力测量，用于海拔测量、天气预报、室内导航等多种功能。

1）智能穿戴设备

智能手表和健康追踪器，是MEMS压力传感器的重要应用领域。这些设备利用压力传感器来监测用户的活动水平、心率、血氧饱和度等生理参数。

2）智能手机与平板电脑

在智能手机和平板电脑中，MEMS压力传感器的应用正变得越来越普遍。这些传感器不仅用于传统的气压测量，还开始用于增强现实（AR）、虚拟现实（VR）和移动支付等新兴应用。

3）无人机

压力传感器能侦测地球的大气压力。 由气压计所提供的数据能协助无人机导航上升到所需的高度，并准确估计上升与下降速度，对无人机飞行控制来说相当重要。

飞行器上的空速管或皮托管是重要的大气数据系统传感器。差压传感器可用来准确导入飞行器在飞行条件下周围大气环境的静压和总压气流。这些测量数据可转换为飞行的气压高度、指示空速、升降速率等飞行参数，并在仪表上进行显示和输出。

六、压力传感器的使用注意事项

传感器为敏感元件，在使用压力传感器时，需要注意以下几点：

1、选择合适的型号和规格：根据测量需求选择合适的压力传感器型号和规格，确保测量结果的准确性和可靠性。

压力传感器的主要参数：

• 量程：微压（1PSI以下），低压（100PSI以下），中压（750PSI以下），高压（大于750PSI）
• 非线性 非线性单位为：%FS
• 灵敏度
• 重复性
• 零点漂移
• 温度补偿
• 年度漂移
• 测量类型：绝压，表压，差压，混合压。

2、正确安装和使用：按照传感器说明书中的要求进行正确安装和使用，避免由于安装不当或操作失误导致的测量误差或传感器损坏。

3、定期维护和校准：定期对传感器进行维护和校准，确保其长期稳定运行和测量准确性。

4、注意环境因素的影响：在使用过程中，要注意环境因素对传感器性能的影响，如温度、湿度、振动等，并采取相应的措施进行补偿或消除。

七、结语

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