在高動態范圍內使用壓力傳感器

　　First Sensor，2020年10月

　　進行測量通常需要在測量范圍和精度之間進行權衡。傳統上，壓力傳感器也不例外。研究人員和產品開發人員必須決定在任何給定壓力應用中，在量程的高壓端或低壓端是否需要高精度測量。這對于準確測量在較大范圍內變化的壓力提出了重大挑戰。這一切都將改變，這要歸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的范圍內進行測量，并且在低壓區域的亞帕斯卡精度。

　　壓力傳感器在許多行業中都有廣泛的應用-從泄漏檢測到醫療設備。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準確測量壓力是很困難的。

　　現在，由First Sensor開發的新型壓力傳感器提供了一種實現此目的的方法。借助量熱流量傳感技術，使這些高動態范圍傳感器成為可能。讓我們先來看看這項技術的運作方式。

　　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域到相對壓力低的區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。與使用模制通道的同類傳感器相比，這具有顯著優勢：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之類的偽像都不存在。5所有這些都導致了一個小型，堅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，因為傳感器的高阻抗可確保對主流的干擾最小。6

　　該傳感器架構的性能和多功能性使LDE / LME / LMI系列傳感器在暖通空調，藥品（呼吸器，麻醉設備等）和泄漏測量中具有一系列應用。

　　高動態范圍測量問題

　　盡管具有這些傳感器的性能，但是在寬范圍內以高精度測量壓力變化仍然是一個問題。這可以用系統的“動態范圍”來描述：動態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中，我們說這具有很高的動態范圍。但通常，只能在該范圍內的某個狹窄區域內以高精度進行壓力測量。

　　在某些流量應用中，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。但是這些流量計的功能元件本質上是非線性的，產生的壓力大約與流量的平方成正比。這意味著，如果給定系統的流量的動態范圍為1：100，則傳感器產生的壓力的動態范圍將約為1：10,000。

　　迄今為止，用單個精確的傳感器設備來適應這種動態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有的量熱微流量技術的基礎上，可提供一種多功能的壓力傳感器，能夠在廣泛的范圍內實現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。一個傳感元件設計為可以高分辨率高精度地測量低壓差，另一個傳感元件設計為在更大范圍內擴展測量范圍；整個設備可在低壓下以極高的動態范圍進行精確的壓力測量。

　　具有精確的24位模數轉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進行拼接，線性化和溫度補償。結果是傳感器的數量超過了其總和。