壓力感測器簡介

壓力感測器是一種能監測或偵測氣體或液體壓力 (力) 的電子元件，並可將該資訊轉換成電子訊號，即可用於監測或調節該力。若要進一步探討壓力感測器，就得從一些基本的定義開始。壓力係指氣體或液體在單位面積的表面上施加的力的大小。壓力 (P)、力 (F) 與面積 (A) 之間的關係，以公式 P=F/A 表示。傳統的壓力單位是 Pa，定義為每平方公尺一牛頓 (N)。壓力也可以描述為阻礙流體擴張所需的力。

壓力感測器採用的技術相當多種 (本文後續會探討)，每種技術最終會決定該壓力感測器的運作方式。雖然如今有許多壓力感測器可搭配多種液體和氣體使用，但某些較黏或較稠的液體 (紙漿、瀝青、原油等) 可能需要使用客製化的壓力感測器。不過，有一種壓力感測器幾乎可用於任何情況。

名稱紛亂，為您解惑

基本上，壓力感測器、壓力傳感器和壓力發射器的功能不相上下，因此這幾個術語經常交替使用。這些產品之間的主要區別在於輸出訊號。

壓力感測器會感測壓力的力道，並產生與施力強度相對應的輸出訊號。壓力傳感器會將偵測到的力道轉換成連續的電壓輸出 (V)，壓力發射器則會將偵測到的力道轉換成電流輸出 (mA)。

在一般使用情況下，壓力感測器有許多種稱呼，例如壓力傳感器、壓力發射器、壓力傳送器、壓力指示器、壓強計和流體壓力計。無論採用何種名稱，這些裝置都是為了在諸多應用中進行壓力的監測和調節，也能用來測量其他變數，例如液體／氣體流量、海拔高度以及水位。

壓力量測類型

在壓力量測和壓力感測器領域中，有許多術語必須瞭解，才能確保發揮最佳的系統效能與測量準確度。您應用中所採用的特定壓力感測器類型，可能會對這些因素產生重大影響，因為壓力通常是相對於某個參考值測得的，例如海平面的大氣壓力。

有個關鍵術語是「計示壓力」，是指相對於於當地環境或大氣壓力而測得的壓力。在此所指的壓力會高於或低於當地大氣壓力。

另一個重要術語是「絕對壓力」，是指相對於零壓力或真空參考值而測得的壓力。使用絕對壓力感測器取得的量測值，同樣不會受到量測位置的影響。

「差壓」是指系統中兩個不同點之間的壓力差，常用來計算管道內液體或氣體的流量。

「真空壓力」測量的是與環境或當地大氣壓力相比的負壓範圍。

最後，「複合壓力」包含正壓和負壓或是真空的量測，基本上是將計示壓力和真空壓力相結合。

圖 1：視覺化呈現各種壓力量測之間的關係。(圖片來源：Same Sky)

常見的壓力量測技術

壓力的偵測、理解與量測，最早可以追溯到 16 世紀晚期伽利略和 17 世紀中期托里切利的開創性研究。巴登管是史上第一款壓力計，發明於 1849 年，之後要到 1930 年才出現第一款電氣輸出的壓力傳感器。隨著半導體技術的興起，現今用於偵測此基本力的技術大量湧現。以下簡單概述主要的壓力量測技術及其應用：

• 電容式量測：當電容板之間的隔膜因壓力而彎曲時，會偵測此壓力造成的電容量變化。
• 電感式量測：偵測與磁芯相連隔膜的細微撓動，這種撓動會造成磁芯內部出現線性運動。此運動會改變感應電流，並轉換成電氣訊號。
• 光學量測：利用光源和感測器進行量測，該光源會因壓力增加而逐漸遭到阻隔，感測器會產生與光線變化成比例的訊號。光纖感測器也可用來測量因壓力引起的光線路徑和相位的變化。
• 壓電量測：當外力壓縮石英或陶瓷材料時，會產生與壓縮量成比例的可變電荷。當材料拉伸時，壓阻式技術會利用電阻的變化來測量壓力。
• 電位計量測：利用電阻裝置 (電位器) 和連接到巴登管的滑臂進行量測。當壓力改變時，滑臂會移動，電位器會根據力度產生一個相對訊號。
• 諧振量測：當帶有振弦的隔膜受力時，會改變振弦的諧振頻率，該頻率會轉換成電氣訊號。
• 應變計：施加力量 (壓力) 時，隨施力波動的電阻會發生變化。之後便能測量此電阻。

壓力感測器的類型

要瞭解壓力感測器，查看設計中能使用的不同類型也很重要。以下是幾個基本類型：

• 隔膜感測器：結合受壓時會變形的撓性金屬圓薄板。
• 密封感測器：以海平面的大氣壓力作為參考壓力。
• 固態感測器：這些感測器無活動零件，使用場效電晶體等半導體切換元件來感測壓力。
• 應變計感測器：當長度因外力而改變時會產生電阻，就可測量此電阻並轉換成電氣訊號。
• 薄膜感測器：顧名思義，這些感測器利用薄膜進行感測，當壓力導致長度及厚度改變時，薄膜中的電阻元件會因此改變電阻。
• 真空感測器：可測量低於大氣水準的壓力。這種感測器通常利用壓電技術，或是測量特定空間中的氣體量。
• 通氣感測器：根據環境氣壓測量相對的壓力。

圖 2：壓力感測器利用壓電隔膜進行感測的範例。(圖片來源：Same Sky)

最終的設計考量

除了以上介紹的壓力感測器技術、量測及類型之外，以下更針對挑選特定設計用的壓力感測器時，提出一些最終的挑選條件。第一個關鍵參數是工作壓力範圍，即裝置能依製造商指定般運作的安全壓力範圍。工作溫度範圍、感測器故障前所能承受的壓力上限，以及輸出類型 (類比／數位)，也是重要的考量因素。此外，還要考量輸出位準、準確度與漂移、解析度、電源電壓和許多環境因素，例如溫度、濕度、壓力、液體接觸、輻射，以及感測器和任何接收裝置間的實際距離。將這些參數都納入考量，就能挑選適合特定應用的壓力感測器，滿足必要的工作條件與效能要求。

結論

電氣工程師必須瞭解，測量壓力並利用該資料來監控製程，在許多產業中都是關鍵的步驟，例如製造業和醫療保健業。為了確保產品和服務的品質及安全，必須進行準確可靠的壓力感測。隨著科技的進步，壓力感測器現在有各種類型、技術、尺寸、輸出和準確度可供選擇。要挑選適合特定應用的壓力感測器，需仔細考量工作參數，例如感測器類型、壓力範圍、溫度範圍、最大壓力、輸出類型、準確度、解析度、電源電壓及環境因素。

好在，Same Sky 提供一系列能滿足這些要求的壓電型壓力感測器。該公司的感測器有多種壓力類型和工作範圍可供選擇，可達到靈活且準確的測量。