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原创物联网x系统中的压力如何检测_压力传感器详解

 2024-9-26 15:00  111 0 分类: 物联网

物联网系统中为什么要使用压力传感器

物联网系统中使用压力传感器的原因主要基于其多方面的优势和应用价值。以下是对此问题的详细分析：

压力传感器的性能特点

高精度：压力传感器能够准确地将压力信号转换为可测量的电信号，提供高精度的压力数据，这对于物联网系统中需要精确控制或监测压力变化的场景至关重要。
实时性强：压力传感器能够实时监测压力变化，并将数据迅速传输到物联网系统中，使得系统能够及时响应和处理。
稳定性好：现代压力传感器采用先进的材料和工艺制造，具有良好的稳定性和可靠性，能够在各种恶劣环境下长期稳定运行。
智能化程度高：随着物联网技术的发展，压力传感器已经具备了智能化监测和预警的功能，能够自动判断压力是否超出正常范围，并发出警报，提高系统的安全性和可靠性。

压力传感器在物联网系统中的应用价值

工业监测与控制：在工业领域，压力传感器被广泛应用于管道、容器、机器设备等压力参数的监测和控制，确保生产过程的稳定性和安全性。通过与物联网技术相结合，可以实现远程监控和智能化控制，提高生产效率和降低人力成本。
汽车安全监测：在汽车领域，压力传感器被用于轮胎压力监测、发动机机油压力监测等，确保汽车的安全性和性能。例如，胎压监测系统（TPMS）能够在胎压过低时向驾驶员发出警报，防止因胎压不足导致的交通事故。
医疗健康监测：在医疗领域，压力传感器被用于血压监测、呼吸机压力监测等，为医疗诊断和治疗提供重要数据支持。通过与物联网技术相结合，可以实现远程医疗和健康管理，提高医疗服务的质量和效率。
环境监测与预警：在环境监测领域，压力传感器可以用于气压、水压等参数的监测和预警。例如，在气象观测中，气压传感器可以实时监测大气压力变化，为天气预报提供重要数据支持。
智能家居与安防：在智能家居和安防领域，压力传感器可用于检测门窗的开关状态、水管压力等，实现智能化控制和安全预警。例如，当水管压力异常时，压力传感器可以发出警报，防止水管破裂等事故的发生。

综上所述，物联网系统中使用压力传感器的原因在于其高精度、实时性强、稳定性好、智能化程度高等性能特点以及广泛的应用价值。压力传感器在物联网系统中发挥着重要作用，为各种应用场景提供了可靠的压力数据支持，推动了物联网技术的发展和应用。

本文会再为大家详解传感器家族中的一员——压力传感器 .

压力传感器的定义

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。

压力传感器分类

压力传感器分为：

1、压阻式压力传感器

压阻式传感器是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。它主要有三种类型：体型、薄膜型和扩散型。

1）体型压阻传感器

利用半导体材料电阻制成粘贴式的应变片（半导体应变片），用此应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图。

2）薄膜型压阻传感器

薄膜型压阻传感器是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的，结构如图。

3）扩散型压阻传感器

扩散型压阻传感器是在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散电阻。将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。

它是一种应用很广的半导体应变片。扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。

压阻式传感器的工作原理

压阻式传感器是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应，当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻率发生变化。其电阻相对变化为：

用应变片测量应变或应力时，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。半导体应变片与金属应变片相比，最突出的优点是它的体积小而灵敏度高。

温度误差及补偿

由于半导体材料对温度很敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏度系数随温度变化而发生变化，引起的温度误差分别为零漂和灵敏度温漂。压阻式传感器一般在半导体基片上扩散四个电阻，当四个扩散电阻的阻值相等或相差不大、电阻温度系数也相同时，其零漂和灵敏度温漂都会很小，但工艺上难以实现。由于温度误差较大，压阻式传感器一般都要进行温度补偿。

应用场景

利用半导体压阻效应，可设计成多种类型的压阻式传感器。压阻式传感器体积小，结构比较简单，灵敏度高，能测量十几微帕的微压，动态响应好，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。因此，它在测量压力、压差、液位物位、加速度和流量等方面得到了普遍应用。

1）压力测量

硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片（硅杯）和引线等组成。

2）液位测量

它是根据液面高度与液压成比例的原理工作的。投入式液位传感器安装方便，可适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

3）加速度测量

它的悬臂梁直接用单晶硅制成，在悬臂梁的根部扩散四个阻值相同的电阻，构成差动全桥。在悬臂梁的自由端装一质量块，当传感器受到加速度作用时，由于惯性，质量块使悬臂梁发生形变而产生应力，该应力使扩散电阻的阻值发生变化，由电桥的输出信号可获得加速度的大小。

2、压电压力传感器

压电压力传感器使用石英晶体或陶瓷材料在施加压力时产生电荷。这种以电压测量的电荷与压力的变化成正比。压电压力传感器非常灵敏且响应速度极快。压电压力传感器组件的截面图：螺母 (A)、外壳 (B)、晶体 (C)、隔膜 (D)、引线 (E) 和圆盘 (F)

特点

灵敏度高：压电式传感器的灵敏度可以达到很高，能非常准确地测量出小到微米级别的形变。
可靠性好：压电器件具有高强度、高刚性、高可靠性的特点，能在恶劣的工业环境中稳定运行。
易于安装和使用：压电传感器为非接触式传感器，安全可靠，使用和维护也比较简单方便。

应用场景

工业自动化：压电式传感器广泛应用于工业自动化控制中，如机器人、自动化生产线等领域，可以用于测量出产品的重量、长度、宽度等参数。
医疗设备：在医疗设备领域，压电传感器常用于医疗器械的重量测量和体温测量等方面。
环境监测：在环境监测领域，压电传感器可用于测量大气压力、水深、土壤含水量、风速等方面。
电子秤
其它称重领域

3、电容式压力传感器：

电容式压力传感器使用膜片，膜片被施加的压力偏转，从而导致电容值的变化，然后可以校准，以提供压力读数。

根据应用，该传感器可以测量绝压、表压或差压。电容压力传感器组件：绝缘支架 (A)、隔膜 (B)、电容器板(C) 和压力端口 (D)

应用场景

电容式压力传感器主要用于测量液体或气体的压力，当液体或气体压力作用于弹性膜片安弹性膜片产生位移，位移导致电容量的变化，从而引起由该电容组成的振荡器的振荡频率变化，频率信号经计数、码、传输到显示部分，即可指示压力变化量。目前，电容式压力传感器已被广泛的使用在工业生产中。

4、应变式压力传感器

应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。

原理：

应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻两端的电压的变化，即可获得应变金属丝的应变情况。

应用场景

汽车制造

在汽车制造领域中，应变式传感器被广泛应用于汽车底盘、车身及零部件的设计和测试中。通过对汽车底盘结构变形情况的监测，可以全面评估汽车的悬挂系统性能、驾驶稳定性和安全性能，该技术已成为现代汽车制造领域普遍使用的技术手段。

航天航空

在航天航空领域，应变式传感器主要用于机身变形监测、飞行器的力学与弹性分析等方面。由于航天器长期处于复杂多变的空间环境中，强烈的颠簸和振动会给机体带来很大压力，导致机体损伤，该传感器能够对此进行准确测量，为航天航空技术研究和应用提供了可靠的数据支持。

建筑结构安全监测

在建筑结构安全监测方面，应变式传感器也具有广泛的应用。建筑结构受到风、地震等外力作用时，会发生不同程度的变形，如果超过了一定的范围，就会引发安全隐患。应变式传感器可以实时监控建筑的变形情况，及时预警不安全情况，为城市中大型建筑的安全提供可靠保障。

5、电磁压力传感器

电磁压力传感器是多种利用电磁原理的传感器统称，主要包括电感压力传感器、霍尔压力传感器、电涡流压力传感器等。

电感式压力传感器的工作原理是由于磁性材料和磁导率不同，当压力作用于膜片时，气隙大小发生改变，气隙的改变影响线圈电感的变化，处理电路可以把这个电感的变化转化成相应的信号输出，从而达到测量压力的目的。该种压力传感器按磁路变化可以分为两种：变磁阻和变磁导。

电感压力传感器优缺点

电感式压力传感器的优点在于灵敏度高、测量范围大；缺点就是不能应用于高频动态环境。

变磁阻式压力传感器

变磁阻式压力传感器主要部件是铁芯跟膜片。它们跟之间的气隙形成了一个磁路。当有压力作用时，气隙大小改变，即磁阻发生了变化。如果在铁芯线圈上加一定的电压，电流会随着气隙的变化而变化，从而测出压力。

在磁通密度高的场合，铁磁材料的导磁率不稳定，这种情况下可以采用变磁导式压力传感器测量。变磁导式压力传感器用一个可移动的磁性元件代替铁芯，压力的变化导致磁性元件的移动，从而磁导率发生改变，由此得出压力值。

应用场景

液位监控：可变磁阻传感器可通过磁芯的位置和移动状态来检测液位高度的变化，进而控制液体的排放和加注等措施。
机器人控制：机器人运动状态的控制和调整需要对其关节的位置和运动状态进行实时检测和追踪。可变磁阻传感器可以配合机器人关节的位置和速度计算来实现角度的测量，进而进行位置控制和反馈。
流量监测：在流量控制领域，可变磁阻传感器可以用于检测液体、气体和粉状物等的流量，不仅可以掌握流量大小、功率消耗和效能信息，还可以通过控制流媒体的进出口来调节输出。
汽车辆速度监测：车辆的传统速度监测设备常常受到道路、车轮滑动等复杂环境的干扰。相比之下，可变磁阻传感器可以通过检测车速传感器齿轮或轮轴的转动状态，测量车速，并反馈到车载控制系统中。
磁医学设备：磁医学设备包括MRI（核磁共振影像仪）、MRS（核磁共振光谱仪）和SQUID（超导量子干涉仪）等。在这些设备中，可变磁阻传感器被用于检测电信号和磁信号之间的转换过程，以获取更准确的数据。

6、霍尔压力传感器

霍尔压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内，且有电流通过时，导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边，继而产生电压（霍尔电压）的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性，可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子（自由电子）之运动所造成。

在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集，从而在电子聚集的方向上产生一个电场，此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力，使得后来的电子能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。

当磁场为一交变磁场时，霍尔电动势也为同频率的交变电动势，建立霍尔电动势的时间极短，故其响应频率高。理想霍尔元件的材料要求要有较高的电阻率及载流子迁移率，以便获得较大的霍尔电动势。常用霍尔元件的材料大都是半导体，包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟InAs)、锗(Ge)。

应用场景

汽车行业

在汽车行业中，霍尔式压力传感器通常用于测量轮胎的压力，以及发动机和制动系统的压力等。这些数据对汽车的驾驶安全和燃油经济性都有着重要的影响。

航空航天

在航空航天领域，霍尔式压力传感器被广泛应用于测量飞机发动机和燃料系统中的压力。这些数据具有极高的精确性和稳定性，可以保证飞机的安全运行。

医疗器械

在医疗器械领域，霍尔式压力传感器通常用于测量各种生理参数，例如血压、心率等。这些数据对于临床医疗和医学研究都有着重要的意义。

工业控制

在工业控制领域，霍尔式压力传感器通常用于对各种工业设备中的液体、气体压力等参数进行测量和监测。这些数据可以帮助工程师和技术人员进行设备的维护和调试，以确保工业生产的正常运行。

7、电涡流压力传感器

基于电涡流效应的压力传感器。电涡流效应是由一个移动的磁场与金属导体相交，或是由移动的金属导体与磁场垂直交会所产生。简而言之，就是电磁感应效应所造成。这个动作产生了一个在导体内循环的电流。

电涡流特性使电涡流检测具有零频率响应等特性，因此电涡流压力传感器可用于静态力的检测。

应用场景

电涡流式传感器是一种非接触式传感器，它可以测量金属表面的微小变形和振动，因此在许多领域都有广泛的应用。

汽车制造业

传感器可以用于汽车制造业中的质量控制。例如，在发动机制造过程中，传感器可以检测发动机零件的尺寸和复制全文合要求，此外，传感器还可以检测发动机的振动和噪音水平，以确保发动机的性能和可靠性。

航空航天工业

电涡流式传感器在航空航天工业中也有广泛的应用。例如，在飞机制造过程中，传感器可以检测飞机零件的尺寸和形状是否符合要求。此外，传感器还可以检测飞机的振动和噪音水平，以确保飞机的性能和安全性。

电涡流式传感器可以用于金属加工业中的质量控制。例如，在钢铁制造过程中，传感器可以检测钢铁板的尺寸和形状是否符合要求。此外，传感器还可以检测钢铁板的表面质量和硬度，以确保钢铁板的质量和可靠性。

医疗设备制造业

电涡流式传感器可以用于医疗设备制造业中的质量控制。例如，在人工关节制造过程中，传感器可以检测人工关节的尺和形状是否符合要求。此外，传感器还可以检测人工关节的表面质量和硬度，以确保人工关节的质量和可靠性.

8、振弦压力传感器

振弦压力传感器属于频率敏感型传感器，这种频率测量具有相当高的准确度，因为时间和频率是能准确测量的物理量参数，而且频率信号在传输过程中可以忽略电缆的电阻、电感、电容等因素的影响。同时，振弦式压力传感器还具有较强的抗干扰能力，零点漂移小、温度特性好、结构简单、分辨率高、性能稳定，便于数据传输、处理和存储，容易实现仪表数字化，所以振弦式压力传感器也可以作为传感技术发展的方向之一。

振弦式压力传感器的敏感元件是拉紧的钢弦，敏感元件的固有频率与拉紧力大小有关。弦的长度是固定的，弦的振动频率变化量可用来测算拉力的大小，即输入的是力信号，输出的是频率信号。振弦式压力传感器分为上下两个部分组成，下部构件主要是敏感元件组合体。上部构件是铝壳，包含一个电子模块和一个接线端子，分成两个小室放置，这样在接线时就不会影响电子模块室的密封性。