压力传感器在物联网的应用带来的启发
压力传感器的其中一个改变就是小型化,原来的压力传感器很大。传统的传感器缺点就是重量重、体积大。其优点则为有多种介质,包括夹板安装等都已经形成工业标准,同时还可以增加机械保护,如果硅芯片自身过压能力不好,可以通过增加保护膜片来增加过压保护能力。所以我们想是不是可以把这么大的东西搞得越小越好。
首先由于在物联网或工业物联网的应用上没有人再通过查看表头来查看信息了,VLC-100KNH400称重传感器,所有信息都会发送到系统中,这就使得LCD、点阵等表头显示不再有意义。在数字化输出中,例如有485、LoRa、无线等形式输出,距离比较近的可以用ZigBee,距离比较远的可以用LoRa来实现。
然后物联网环境中介质一般比较单一,没有那么多复杂和带有腐蚀性的介质,因而可以不用做两个大的夹板溶池,也不需要大的清洗和排液系统,可以通过在传感器的两侧做两个排液孔实现排液,从而进一步降低传感器的成本和体积。
再次不再需要保护膜片。芯片有一个很大的特点就是单边过压,另外,在物联网应用场景中的小型化场合中不需要太大的耐压能力,因而可以省掉中心保护工艺,再小型化,这样成本也没有增加。
必须要有自补偿,对于差压来说,我们还是希望它可以适应各种温度的变化,特别是硅传感器,温度变化很重要。
电磁压力传感器
压力传感器是基于某些半导体材料的霍尔效应制成的。霍尔效应是指当固体导体放置在一个磁场内,且有电流通过时,导体内的电荷载子受到洛伦兹力而偏向一边,继而产生电压(霍尔电压)的现象。电压所引致的电场力会平衡洛伦兹力。通过霍尔电压的极性,可证实导体内部的电流是由带有负电荷的粒子(自由电子)之运动所造成。
在导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得导线中的电子受到洛伦兹力而聚集,从而在电子聚集的方向上产生一个电场,此电场将会使后来的电子受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子能顺利通过不会偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
当磁场为一交变磁场时,霍尔电动势也为同频率的交变电动势,建立霍尔电动势的时间极短,故其响应频率高。常用霍尔元件的材料大都是半导体,包括N型硅(Si)、锑化铟(InSb)、铟InAs)、锗(Ge)、GaAs)及多层半导体质结构材料。
什么是压力传感器的非线性?从定义上来讲,压力传感器的非线性是指随着压力变化,压力传感器输出呈现一条特性曲线,这条曲线与拟合直线的较大偏差值与该压力传感器的满量程输出之间百分比叫做非线性度,这一百分比的大小决定了压力传感器非线性优劣,简单直观的理解上来说,就是指压力传感器输出的特性曲线与拟合直线偏离程度为非线性度。
为什么压力传感器会产生非线性问题呢?压阻式压力传感器常用桥式测量电路(惠思登电桥),在初始状态时,四个桥臂电阻值保持一致,当输入外力作用时,桥臂电阻平衡状态就会打破,此时输出端就会出现电位差,输出电压的大小与供电电压以及桥臂电阻的相对变化量成一定比例,这个桥臂电阻的相对变化量就决定着传感器非线性的大小。
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