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在高動態(tài)范圍內(nèi)使用壓力傳感器
在高動態(tài)范圍內(nèi)使用壓力傳感器
First Sensor，2020年10月
進(jìn)行測量通常需要在測量范圍和精度之間進(jìn)行權(quán)衡。傳統(tǒng)上，壓力傳感器也不例外。研究人員和產(chǎn)品開發(fā)人員必須決定在任何給定壓力應(yīng)用中，在量程的高壓端或低壓端是否需要高精度測量。這對于準(zhǔn)確測量在較大范圍內(nèi)變化的壓力提出了重大挑戰(zhàn)。這一切都將改變，這要?dú)w功于一種新型的基于流量的差壓傳感器，該傳感器能夠在±5,000 Pa的范圍內(nèi)進(jìn)行測量，并且在低壓區(qū)域的亞帕斯卡精度。
壓力傳感器在許多行業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用-從泄漏檢測到醫(yī)療設(shè)備。盡管高精度超低壓傳感器已廣泛使用，但長期以來證明難以在很大范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量壓力是很困難的。
現(xiàn)在，由First Sensor開發(fā)的新型壓力傳感器提供了一種實(shí)現(xiàn)此目的的方法。借助量熱流量傳感技術(shù)，使這些高動態(tài)范圍傳感器成為可能。讓我們先來看看這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)作方式。
使用量熱原理測量壓差
在這種壓力感測方法中，通過使氣體從相對壓力高的區(qū)域到相對壓力低的區(qū)域流過傳感器來測量壓差。嵌入式加熱元件向氣體提供已知的熱通量，并使用兩個溫度傳感器確定其流量。通過測量流量，可以確定壓差。
First Sensor在其現(xiàn)有的LMI，LME和LDE系列壓力傳感器中使用了基于量熱法的方法，并進(jìn)行了一些重要的修改。1,2在這些傳感器中，微米級（60μm）的流道和熱敏元件集成在單個硅片中芯片采用MEMS技術(shù)。與使用模制通道的同類傳感器相比，這具有顯著優(yōu)勢：First Sensor較小的通道具有較高的流動阻抗，對灰塵和濕氣的固有抗擾性以及極低的泄漏率。3,4諸如湍流和煙囪效應(yīng)之類的偽像都不存在。5所有這些都導(dǎo)致了一個小型，堅(jiān)固且高靈敏度的壓力傳感器。
在測量流量或氣體速度時，以“旁路配置”連接這種傳感器非常有利，因?yàn)閭鞲衅鞯母咦杩箍纱_保對主流的干擾最小。6
該傳感器架構(gòu)的性能和多功能性使LDE / LME / LMI系列傳感器在暖通空調(diào)，藥品（呼吸器，麻醉設(shè)備等）和泄漏測量中具有一系列應(yīng)用。
高動態(tài)范圍測量問題
盡管具有這些傳感器的性能，但是在寬范圍內(nèi)以高精度測量壓力變化仍然是一個問題。這可以用系統(tǒng)的“動態(tài)范圍”來描述：動態(tài)范圍描述的是某個量的最小值（在這種情況下為壓力）與最大值之比。在壓力或流量急劇變化的系統(tǒng)中，我們說這具有很高的動態(tài)范圍。但通常，只能在該范圍內(nèi)的某個狹窄區(qū)域內(nèi)以高精度進(jìn)行壓力測量。
在某些流量應(yīng)用中，該問題尤其明顯。流速或空氣速度測量通常如上所述依賴于壓力測量。但是這些流量計(jì)的功能元件本質(zhì)上是非線性的，產(chǎn)生的壓力大約與流量的平方成正比。這意味著，如果給定系統(tǒng)的流量的動態(tài)范圍為1：100，則傳感器產(chǎn)生的壓力的動態(tài)范圍將約為1：10,000。
迄今為止，用單個精確的傳感器設(shè)備來適應(yīng)這種動態(tài)范圍一直是有問題的。
LHD ULTRA系列壓力傳感器
First Sensor的新型LHD ULTRA壓力傳感器系列建立在其現(xiàn)有的量熱微流量技術(shù)的基礎(chǔ)上，可提供一種多功能的壓力傳感器，能夠在廣泛的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)難以置信的精確測量。 LHD ULTRA壓力傳感器在單個芯片上具有兩個微流通道和兩個傳感元件。一個傳感元件設(shè)計(jì)為可以高分辨率高精度地測量低壓差，另一個傳感元件設(shè)計(jì)為在更大范圍內(nèi)擴(kuò)展測量范圍；整個設(shè)備可在低壓下以極高的動態(tài)范圍進(jìn)行精確的壓力測量。
具有精確的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換的板載微控制器可提供信號處理，其中包括對兩個元素的響應(yīng)進(jìn)行拼接，線性化和溫度補(bǔ)償。結(jié)果是傳感器的數(shù)量超過了其總和。
