Wiki - Cảm biến áp suất Pressure sensor là gì? Phân loại, ứng dụng, ...

Cảm biến áp suất là thiết bị đo áp suất khí hoặc chất lỏng. Áp suất là một biểu hiện của lực cần thiết để ngăn chặn một chất lỏng từ mở rộng, và thường được quy định về lực lượng trên một đơn vị diện tích. Một cảm biến áp suất thường hoạt động như một bộ chuyển đổi; nó tạo ra một tín hiệu như là một chức năng của áp lực được áp đặt. Với mục đích của bài viết này, một tín hiệu như vậy là điện.
 

Cảm biến áp suất được sử dụng để kiểm soát và giám sát trong hàng nghìn ứng dụng hàng ngày. Cảm biến áp suất cũng có thể được sử dụng để đo gián tiếp các biến khác như lưu lượng chất lỏng / khí, tốc độ, mực nước và độ cao. Cảm biến áp suất có thể được gọi là bộ chuyển đổi áp suất, bộ truyền áp suất, bộ gửi áp suất, chỉ báo áp suất, máy đo áp suất và áp kế, trong số các tên khác.

Cảm biến áp suất có thể thay đổi đáng kể về công nghệ, thiết kế, hiệu suất, tính phù hợp của ứng dụng và chi phí. Một ước tính thận trọng là có thể có hơn 50 công nghệ và ít nhất 300 công ty sản xuất cảm biến áp suất trên toàn thế giới.

Ngoài ra còn có một loại cảm biến áp suất được thiết kế để đo ở chế độ động để ghi lại những thay đổi tốc độ rất cao về áp suất. Các ứng dụng ví dụ cho loại cảm biến này là đo áp suất đốt trong một xilanh động cơ hoặc trong tuabin khí. Những cảm biến này thường được sản xuất từ ​​các vật liệu áp điện như thạch anh.

Một số cảm biến áp suất là công tắc áp suất, bật hoặc tắt ở một áp suất cụ thể. Ví dụ, một máy bơm nước có thể được điều khiển bởi một công tắc áp suất để nó bắt đầu khi nước được giải phóng khỏi hệ thống, làm giảm áp suất trong một hồ chứa.
 

Phân loại cảm biến áp suất: Có bao nhiêu loại cảm biến áp suất Pressure sensors?

Cảm biến áp suất có thể được phân loại theo phạm vi áp suất mà chúng đo lường, phạm vi nhiệt độ hoạt động và quan trọng nhất là loại áp suất mà chúng đo lường. Cảm biến áp suất được đặt tên khác nhau theo mục đích của chúng, nhưng cùng một công nghệ có thể được sử dụng dưới các tên gọi khác nhau.

Cảm biến áp suất tuyệt đối Absolute pressure sensor
Cảm biến này đo áp suất liên quan đến chân không hoàn hảo.

Đo cảm biến áp suất Gauge pressure sensor
Cảm biến này đo áp suất liên quan đến áp suất khí quyển. Một máy đo áp suất lốp là một ví dụ về đo áp suất đo; khi nó chỉ số không, thì áp suất nó đo bằng với áp suất môi trường xung quanh.

Cảm biến áp suất chân không Vacuum pressure sensor
Thuật ngữ này có thể gây nhầm lẫn. Nó có thể được sử dụng để mô tả một cảm biến đo áp suất dưới áp suất khí quyển, cho thấy sự khác biệt giữa áp suất thấp và áp suất khí quyển, nhưng nó cũng có thể được sử dụng để mô tả một cảm biến đo áp suất tuyệt đối so với chân không.

Cảm biến áp suất vi sai Differential pressure sensor
Cảm biến này đo sự khác biệt giữa hai áp suất, một cảm biến được kết nối với mỗi bên của cảm biến. Các cảm biến áp suất vi sai được sử dụng để đo nhiều đặc tính, như giảm áp suất trên bộ lọc dầu hoặc bộ lọc khí, mức chất lỏng (bằng cách so sánh áp suất trên và dưới chất lỏng) hoặc tốc độ dòng chảy (bằng cách đo thay đổi áp suất trong giới hạn). Về mặt kỹ thuật, hầu hết các cảm biến áp suất thực sự là các cảm biến áp suất vi sai; ví dụ, một cảm biến áp suất đo chỉ đơn thuần là một cảm biến áp suất vi sai trong đó một bên mở ra bầu không khí xung quanh.

Cảm biến áp suất kín Sealed pressure sensor
Cảm biến này tương tự như một cảm biến áp suất đo ngoại trừ nó đo áp suất liên quan đến một số áp lực cố định chứ không phải là áp suất khí quyển xung quanh (thay đổi tùy theo vị trí và thời tiết).
 

Công nghệ cảm biến áp suất

Có hai loại cảm biến áp suất tương tự cơ bản,

Các loại cảm biến điện tử

Các loại cảm biến áp suất điện tử này thường sử dụng bộ thu lực (như màng ngăn, piston, ống bourdon, hoặc ống thổi) để đo độ căng (hoặc độ lệch) do lực ứng dụng trên một vùng (áp suất).

Máy đo biến dạng (Piezoresistive strain gauge)
Sử dụng hiệu ứng piezoresistive của đồng hồ đo căng thẳng ngoại quan hoặc hình thành để phát hiện căng thẳng do áp lực áp dụng, sức đề kháng tăng lên khi áp lực biến dạng vật liệu. Các loại công nghệ thông thường là Silicon (Monocrystalline), Polysilicon Thin Film, Metal Foil Bonded, Film dày, Silicon-on-Sapphire và Film mỏng Sputtered. Nói chung, các máy đo biến dạng được kết nối để tạo thành một mạch cầu Wheatstone để tối đa hóa đầu ra của cảm biến và để giảm độ nhạy cảm với các lỗi. Đây là công nghệ cảm biến được sử dụng phổ biến nhất cho phép đo áp suất mục đích chung.

Điện dung (Capacitive)
Sử dụng một cơ hoành và khoang áp lực để tạo ra một tụ điện biến để phát hiện căng thẳng do áp lực áp dụng, điện dung giảm khi áp suất làm biến dạng cơ hoành. Các công nghệ thông thường sử dụng kim loại, gốm và màng silicon.

Điện từ (Electromagnetic)
Đo sự dịch chuyển của cơ hoành bằng các thay đổi về điện cảm (miễn cưỡng), LVDT, hiệu ứng Hall, hoặc theo nguyên lý dòng xoáy.

Áp điện (Piezoelectric)
Sử dụng hiệu ứng áp điện trong một số vật liệu như thạch anh để đo sự căng thẳng khi cơ chế cảm biến do áp suất. Công nghệ này thường được sử dụng để đo áp suất động cao.

Máy đo sức căng (Strain-Gauge)
Cảm biến áp suất dựa trên máy đo áp lực cũng sử dụng một yếu tố nhạy cảm với áp lực, trong đó các máy đo biến dạng kim loại được dán trên hoặc máy đo màng mỏng được áp dụng bằng cách phún xạ. Yếu tố đo này có thể là một cơ hoành hoặc cho các đồng hồ đo bằng kim loại có thể đo được các vật thể trong thể loại cũng có thể được sử dụng. Những ưu điểm lớn của thiết kế kiểu khối có thể là một độ cứng được cải thiện và khả năng đo áp suất cao nhất lên đến 15.000 bar. Kết nối điện thường được thực hiện thông qua cầu Wheatstone cho phép khuếch đại tín hiệu tốt và kết quả đo chính xác và không đổi.

Quang học (Optical)
Các kỹ thuật bao gồm việc sử dụng sự thay đổi vật lý của một sợi quang để phát hiện sự căng thẳng do áp suất được áp dụng. Một ví dụ phổ biến của loại hình này sử dụng Fibre Bragg Gratings. Công nghệ này được sử dụng trong các ứng dụng đầy thử thách, nơi đo lường có thể rất xa, dưới nhiệt độ cao, hoặc có thể được hưởng lợi từ các công nghệ vốn có miễn dịch với nhiễu điện từ. Một kỹ thuật tương tự khác sử dụng một bộ phim đàn hồi được xây dựng trong các lớp có thể thay đổi bước sóng phản xạ theo áp suất (căng thẳng) được áp dụng.

Potentiometric (Potentiometric)
Sử dụng chuyển động của một gạt nước dọc theo một cơ chế điện trở để phát hiện các chủng gây ra bởi áp lực áp dụng.
 

Các loại cảm biến áp suất khác

Các loại cảm biến áp suất điện tử này sử dụng các tính chất khác (chẳng hạn như mật độ) để suy ra áp suất của khí hoặc chất lỏng.

Cộng hưởng (Resonant)
Sử dụng các thay đổi tần số cộng hưởng trong một cơ chế cảm biến để đo lường ứng suất hoặc thay đổi mật độ khí, gây ra bởi áp suất được áp dụng. Công nghệ này có thể được sử dụng kết hợp với bộ thu năng lượng, chẳng hạn như các bộ phận trong danh mục trên. Ngoài ra, công nghệ cộng hưởng có thể được sử dụng bằng cách phơi bày phần tử cộng hưởng chính nó với môi trường, theo đó tần số cộng hưởng phụ thuộc vào mật độ của vật liệu in. Cảm biến đã được làm từ dây rung, xi lanh rung, thạch anh, và MEMS silicon. Nói chung, công nghệ này được coi là cung cấp các bài đọc rất ổn định theo thời gian.

Nhiệt (Thermal)
Sử dụng các thay đổi về độ dẫn nhiệt của khí do thay đổi mật độ đối với áp suất đo. Một ví dụ phổ biến của loại này là đo Pirani.

Ion hóa (Ionization)
Đo lưu lượng của các hạt khí tích điện (ion) thay đổi do thay đổi mật độ đối với áp suất đo. Ví dụ phổ biến là đồng hồ đo Cathode nóng và lạnh.
 

Các ứng dụng của cảm biến áp suất Pressure sensors

Có nhiều ứng dụng cho cảm biến áp suất:

Cảm nhận biến áp suất (Pressure sensing)
Đây là nơi đo lường sự quan tâm là áp lực, được biểu diễn như một lực trên một đơn vị diện tích. Điều này rất hữu ích trong thiết bị đo thời tiết, máy bay, ô tô và bất kỳ máy móc nào khác có chức năng áp lực được thực hiện.

Cảm nhận biến độ cao (Altitude sensing)
Điều này rất hữu ích trong máy bay, tên lửa, vệ tinh, bóng bay thời tiết và nhiều ứng dụng khác. Tất cả các ứng dụng này sử dụng mối quan hệ giữa những thay đổi về áp suất so với độ cao. Mối quan hệ này được điều chỉnh theo phương trình sau: [3]

h = (1 - (P/P_ref)^0.190284) x 145366.45ft

Phương trình này được hiệu chuẩn cho một máy đo độ cao, lên tới 36.090 feet (11.000 m). Bên ngoài phạm vi đó, một lỗi sẽ được giới thiệu có thể được tính toán khác nhau cho mỗi cảm biến áp suất khác nhau. Những tính toán lỗi này sẽ ảnh hưởng đến lỗi được giới thiệu bởi sự thay đổi nhiệt độ khi chúng ta tăng lên.

Cảm biến áp suất khí quyển có thể có độ phân giải cao dưới 1 mét, tốt hơn đáng kể so với các hệ thống GPS (độ phân giải cao khoảng 20 mét). Trong các ứng dụng điều hướng, các thang đo được sử dụng để phân biệt giữa các mức đường xếp chồng lên nhau cho điều hướng trên xe và mức sàn trong các tòa nhà để điều hướng cho người đi bộ.

Cảm biến lưu lượng (Flow sensing)
Đây là việc sử dụng các cảm biến áp suất kết hợp với hiệu ứng venturi để đo lưu lượng. Áp suất vi sai được đo giữa hai đoạn của ống venturi có khẩu độ khác nhau. Sự chênh lệch áp suất giữa hai phân đoạn tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy qua ống venturi. Một cảm biến áp suất thấp là gần như luôn luôn cần thiết như sự khác biệt áp lực là tương đối nhỏ.

Cảm biến mức độ / chiều sâu (Level / depth sensing)
Một cảm biến áp suất cũng có thể được sử dụng để tính toán mức chất lỏng. Kỹ thuật này thường được sử dụng để đo chiều sâu của một cơ thể chìm (như thợ lặn hoặc tàu ngầm), hoặc mức độ nội dung trong một bể (như trong tháp nước). Đối với hầu hết các mục đích thực tế, mức chất lỏng là tỷ lệ thuận với áp suất. Trong trường hợp nước ngọt có hàm lượng dưới áp suất khí quyển, 1psi = 27,7 inH20 / 1Pa = 9,81 mmH20. Phương trình cơ bản cho phép đo như vậy là

P = pgh

trong đó P = áp suất, ρ = mật độ của chất lỏng, g = trọng lực tiêu chuẩn, h = chiều cao của cột chất lỏng trên cảm biến áp suất

Kiểm tra rò rỉ (Leak testing)
Một cảm biến áp suất có thể được sử dụng để cảm nhận sự giảm áp suất do rò rỉ hệ thống. Điều này thường được thực hiện bằng cách so sánh với một rò rỉ được biết đến bằng cách sử dụng áp lực khác biệt, hoặc bằng cách sử dụng cảm biến áp suất để đo lường sự thay đổi áp suất theo thời gian.

Hiệu chỉnh Ratiometric của đầu ra bộ chuyển đổi

Đầu dò piezoresistive cấu hình như cầu Wheatstone thường thể hiện hành vi ratiometric không chỉ đối với áp lực đo, mà còn là điện áp cung cấp đầu dò.
 

Trong đó:

 is the output voltage of the transducer.

 is the actual measured pressure.

 is the nominal transducer scale factor (given an ideal transducer supply voltage) in units of voltage per pressure.

 is the actual transducer supply voltage.

 is the ideal transducer supply voltage.

Việc hiệu chỉnh các phép đo từ các đầu dò thể hiện hành vi này đòi hỏi phải đo điện áp cung cấp đầu dò thực tế cũng như điện áp đầu ra và áp dụng biến đổi nghịch đảo của hành vi này đối với tín hiệu đầu ra:



Lưu ý: Các tín hiệu chế độ chung thường xuất hiện trong đầu dò được cấu hình như cầu Wheatstone không được xem xét trong phân tích này.


English edition

What is a pressure sensor?

A pressure sensor is a device for pressure measurement of gases or liquids. Pressure is an expression of the force required to stop a fluid from expanding, and is usually stated in terms of force per unit area. A pressure sensor usually acts as a transducer; it generates a signal as a function of the pressure imposed. For the purposes of this article, such a signal is electrical.

Pressure sensors are used for control and monitoring in thousands of everyday applications. Pressure sensors can also be used to indirectly measure other variables such as fluid/gas flow, speed, water level, and altitude. Pressure sensors can alternatively be called pressure transducers, pressure transmitters, pressure senders, pressure indicators, piezometers and manometers, among other names.

Pressure sensors can vary drastically in technology, design, performance, application suitability and cost. A conservative estimate would be that there may be over 50 technologies and at least 300 companies making pressure sensors worldwide.

There is also a category of pressure sensors that are designed to measure in a dynamic mode for capturing very high speed changes in pressure. Example applications for this type of sensor would be in the measuring of combustion pressure in an engine cylinder or in a gas turbine. These sensors are commonly manufactured out of piezoelectric materials such as quartz.

Some pressure sensors are pressure switches, which turn on or off at a particular pressure. For example, a water pump can be controlled by a pressure switch so that it starts when water is released from the system, reducing the pressure in a reservoir.
 

Types of pressure measurements

Pressure sensors can be classified in terms of pressure ranges they measure, temperature ranges of operation, and most importantly the type of pressure they measure. Pressure sensors are variously named according to their purpose, but the same technology may be used under different names.
 

Absolute pressure sensor

This sensor measures the pressure relative to perfect vacuum.
 

Gauge pressure sensor

This sensor measures the pressure relative to atmospheric pressure. A tire pressure gauge is an example of gauge pressure measurement; when it indicates zero, then the pressure it is measuring is the same as the ambient pressure.
 

Vacuum pressure sensor

This term can cause confusion. It may be used to describe a sensor that measures pressures below atmospheric pressure, showing the difference between that low pressure and atmospheric pressure, but it may also be used to describe a sensor that measures absolute pressure relative to a vacuum.
 

Differential pressure sensor

This sensor measures the difference between two pressures, one connected to each side of the sensor. Differential pressure sensors are used to measure many properties, such as pressure drops across oil filters or air filters, fluid levels (by comparing the pressure above and below the liquid) or flow rates (by measuring the change in pressure across a restriction). Technically speaking, most pressure sensors are really differential pressure sensors; for example a gauge pressure sensor is merely a differential pressure sensor in which one side is open to the ambient atmosphere.
 

Sealed pressure sensor

This sensor is similar to a gauge pressure sensor except that it measures pressure relative to some fixed pressure rather than the ambient atmospheric pressure (which varies according to the location and the weather).
 

Pressure-sensing technology

There are two basic categories of analog pressure sensors,

Force collector types These types of electronic pressure sensors generally use a force collector (such a diaphragm, piston, bourdon tube, or bellows) to measure strain (or deflection) due to applied force over an area (pressure).
 

Piezoresistive strain gauge

Uses the piezoresistive effect of bonded or formed strain gauges to detect strain due to applied pressure, resistance increasing as pressure deforms the material. Common technology types are Silicon (Monocrystalline), Polysilicon Thin Film, Bonded Metal Foil, Thick Film, Silicon-on-Sapphire and Sputtered Thin Film. Generally, the strain gauges are connected to form a Wheatstone bridge circuit to maximize the output of the sensor and to reduce sensitivity to errors. This is the most commonly employed sensing technology for general purpose pressure measurement.
 

Capacitive

Uses a diaphragm and pressure cavity to create a variable capacitor to detect strain due to applied pressure, capacitance decreasing as pressure deforms the diaphragm. Common technologies use metal, ceramic, and silicon diaphragms.
 

Electromagnetic

Measures the displacement of a diaphragm by means of changes in inductance (reluctance), LVDT, Hall Effect, or by eddy current principle.
 

Piezoelectric

Uses the piezoelectric effect in certain materials such as quartz to measure the strain upon the sensing mechanism due to pressure. This technology is commonly employed for the measurement of highly dynamic pressures.
 

Strain-Gauge

Strain gauge based pressure sensors also use a pressure sensitive element where metal strain gauges are glued on or thin film gauges are applied on by sputtering. This measuring element can either be a diaphragm or for metal foil gauges measuring bodies in can-type can also be used. The big advantages of this monolithic can-type design are an improved rigidity and the capability to measure highest pressures of up to 15,000 bar. The electrical connection is normally done via a Wheatstone bridge which allows for a good amplification of the signal and precise and constant measuring results.
 

Optical

Techniques include the use of the physical change of an optical fiber to detect strain due to applied pressure. A common example of this type utilizes Fiber Bragg Gratings. This technology is employed in challenging applications where the measurement may be highly remote, under high temperature, or may benefit from technologies inherently immune to electromagnetic interference. Another analogous technique utilizes an elastic film constructed in layers that can change reflected wavelengths according to the applied pressure (strain).
 

Potentiometric

Uses the motion of a wiper along a resistive mechanism to detect the strain caused by applied pressure.


Other types
These types of electronic pressure sensors use other properties (such as density) to infer pressure of a gas, or liquid.
 

Resonant

Uses the changes in resonant frequency in a sensing mechanism to measure stress, or changes in gas density, caused by applied pressure. This technology may be used in conjunction with a force collector, such as those in the category above. Alternatively, resonant technology may be employed by exposing the resonating element itself to the media, whereby the resonant frequency is dependent upon the density of the media. Sensors have been made out of vibrating wire, vibrating cylinders, quartz, and silicon MEMS. Generally, this technology is considered to provide very stable readings over time.
 

Thermal

Uses the changes in thermal conductivity of a gas due to density changes to measure pressure. A common example of this type is the Pirani gauge.
 

Ionization

Measures the flow of charged gas particles (ions) which varies due to density changes to measure pressure. Common examples are the Hot and Cold Cathode gauges.
 

Applications

There are many applications for pressure sensors:
 

Pressure sensing

This is where the measurement of interest is pressure, expressed as a force per unit area. This is useful in weather instrumentation, aircraft, automobiles, and any other machinery that has pressure functionality implemented.
 

Altitude sensing

This is useful in aircraft, rockets, satellites, weather balloons, and many other applications. All these applications make use of the relationship between changes in pressure relative to the altitude. This relationship is governed by the following equation:[3]



This equation is calibrated for an altimeter, up to 36,090 feet (11,000 m). Outside that range, an error will be introduced which can be calculated differently for each different pressure sensor. These error calculations will factor in the error introduced by the change in temperature as we go up.

Barometric pressure sensors can have an altitude resolution of less than 1 meter, which is significantly better than GPS systems (about 20 meters altitude resolution). In navigation applications altimeters are used to distinguish between stacked road levels for car navigation and floor levels in buildings for pedestrian navigation.

Flow sensing
This is the use of pressure sensors in conjunction with the venturi effect to measure flow. Differential pressure is measured between two segments of a venturi tube that have a different aperture. The pressure difference between the two segments is directly proportional to the flow rate through the venturi tube. A low pressure sensor is almost always required as the pressure difference is relatively small.

Level / depth sensing
Further information: Level sensor § Pressure, and Depth gauge
A pressure sensor may also be used to calculate the level of a fluid. This technique is commonly employed to measure the depth of a submerged body (such as a diver or submarine), or level of contents in a tank (such as in a water tower). For most practical purposes, fluid level is directly proportional to pressure. In the case of fresh water where the contents are under atmospheric pressure, 1psi = 27.7 inH20 / 1Pa = 9.81 mmH20. The basic equation for such a measurement is

where P = pressure, ρ = density of the fluid, g = standard gravity, h = height of fluid column above pressure sensor
 

Leak testing

A pressure sensor may be used to sense the decay of pressure due to a system leak. This is commonly done by either comparison to a known leak using differential pressure, or by means of utilizing the pressure sensor to measure pressure change over time.
 

Ratiometric correction of transducer output

Piezoresistive transducers configured as Wheatstone bridges often exhibit ratiometric behavior with respect not only to the measured pressure, but also the transducer supply voltage.

where:

 is the output voltage of the transducer.

 is the actual measured pressure.

 is the nominal transducer scale factor (given an ideal transducer supply voltage) in units of voltage per pressure.

 is the actual transducer supply voltage.

 is the ideal transducer supply voltage.

Correcting measurements from transducers exhibiting this behavior requires measuring the actual transducer supply voltage as well as the output voltage and applying the inverse transform of this behavior to the output signal:
 

Note: Common mode signals often present in transducers configured as Wheatstone bridges are not considered in this analysis.