了解压力传感器：这种设备被广泛应用于工业、医疗、汽车和消费领域，用于感知压力并将其转化为电能。感知物理世界中的条件和变化是电气工程的基本任务之一。在本文中，我们将了解压力传感器，它们能够感知压力并将其转化为电能。我们将在下一部分回顾“压力传感器”的详细定义，然后继续介绍不同类型的压力传感器及其工作原理。
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什么是压力传感器？
那么，压力传感器到底是什么？除了上述的简短解释之外，我们可以进一步探讨。为此，我们可以将问题分为两部分。首先，什么是压力？其次，什么是传感器？
在这个语境中，压力是指作用在物体表面单位面积上的力，且该力的方向垂直于物体表面。这种力通常与流体（即液体或气体）有关。绝对压力测量以理论上的零压力为参考点，而表压（gauge pressure）测量则以大气压力为参考点。绝对压力与表压之间的区别是一个重要的提醒：对我们人类来说，感觉上的“零压力”实际上并不是真正的零压力。我们始终生活在大气压力之下，大气压力大约为每平方英寸施加14.7磅的力（14.7 psi）。如果说从出生到死亡都生活在14.7 psi的环境中听起来有点不公平，那么生活在0 psi的环境中将会更糟糕——真正的零压力是一个完美的真空环境，会导致瞬间死亡。
“传感器”和“传感器”这两个术语经常被交替使用。这并不奇怪，因为许多传感器也是传感器，而我们今天要讨论的许多传感器（包括压力传感器）也是传感器。然而，这两个词本身暗示了微妙的差别。传感器用于感知（即检测或测量）物理量，并将这些信息提供给用户。例如，水银温度计是一种传感器——它允许热量作用于一种物质，从而让人们能够轻松地测量温度。传感器不仅仅测量物理量，它们还会将能量从一种形式转换为另一种形式。在大多数情况下，输入能量或输出能量中的一种会以电信号的形式出现。例如，麦克风是一种传感器，因为它将声能转换为电压信号。如今，传感器产生的信号通常会被模数转换器采样，以便利用数字电路进行处理和分析。经过数十年的创新，人们已经开发出一系列令人印象深刻的传感器，用于将加速度、温度、磁场强度、光强等物理量转换为电信号。即使我们只考虑压力传感器，也有几种不同类型。这些包括：
电容式
电感式
电阻式
压电式
电容器是一种无源器件，因此它本身无法产生信号。然而，电容器可以被集成到一个有源电路中，使得电容的变化能够导致信号的变化。平行板电容器的电容由以下因素决定：
极板的面积
极板之间的距离
极板之间绝缘材料的介电常数
电容式压力传感器（图1）将平行板电容器与一个膜片结合在一起。当压力发生变化时，膜片会导致极板之间的距离发生变化，从而改变电容值。图1. 用于工业应用的电容式压力传感器。
图中展示的是一种能够将压力转换为14位数字输出值的工业压力传感器。图片来源于TE Connectivity。类似的设计原理也可以应用于电感式设备。在电感式压力传感器中，压力的变化会改变一个铁磁芯的位置，从而导致信号的变化。
我们将讨论三种利用电阻来测量压力的传感器：
应变片（Strain Gauges）
压阻式压力传感器（Piezoresistive Pressure Sensors）
电位器式压力传感器（Potentiometric Pressure Sensors）
从技术上讲，最后两种传感器实际上包含传感器和额外的电路。然而，将这些设备作为一个整体来考虑会更有用，而“包含传感器的压阻式（或电位器式）压力传感器”这样的表述显得有些冗长。
顾名思义，应变片（图2）用于测量应变，应变是指在施加力的方向上发生的物理变形。应变片中的导电物体因变形而导致电阻发生变化。由于应变是由力引起的，而压力是单位面积上的力，因此应变片技术可以作为压力传感器的基础。
图2. 粘贴式应变片的布局。图片来源于All about Circuits。
尽管应变片本身在技术上已经构成了一个传感器，但大多数情况下，这种技术会与一个电路结合，将电阻的变化转换为电压信号。
压阻式压力传感器在工作原理上与应变片相似，但在结构上有所不同。它们具有高性能和低成本的优势，因此被广泛应用。另一种基于电阻的压力测量方法涉及使用带有压力敏感元件的电位器。该元件会使电位器的滑动端移动。与应变片类似，电阻的变化可以通过外部电路测量并转换为电压信号。
压电材料（例如电子振荡器中使用的石英晶体）会在受到机械应力时产生电荷变化。机械应力是由施加的力引起的，而力与电荷之间存在直接关系。因此，可以围绕压电元件和膜片构建压力传感器（图3）。压电式压力传感器通常具有坚固耐用和高响应性的特点。
图3.一种结合了晶体-膜片系统和放大电路的压电式压力传感器。图片来源于PCB Piezotronics。
电气工程师在设计中融入压力测量时有多种选择。正如通常情况一样，需要进行一些研究并仔细考虑，以确定特定项目中最佳的压力传感器。
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