压力、流量传感器到底该怎么选择？
盛思瑞特-叶工
压力传感器和流量传感器均可用于测量空气流速。
在许多应用中，两种类型的传感器通常与流量限制装置结合使用，以产生压差。有些“空气流量”传感器因其校准方式而被称为“差压”传感器，而不是基于其内部技术。我们以下的说明是想澄清这两种传感器类型之间的区别淆，解释它们之间的差异，说明哪种类型更适合的特定应用。
什么是空气流量传感器？
最简单地说，空气流量传感器，更准确地称为空气质量流量传感器，是一种具有两个压力端口的装置，气体从一个端口流向另一个端口（见图1）。在传感器内部，有一个带有加热表面的感应元件。当气体流过感应元件时，热量从上游传递到下游，如图2所示。这产生与流动的材料质量成比例的热不平衡，可以通过电子电路测量。
重要的是要记住，传感器是在标准条件下测量质量流量，而不是实际通过的气体体积。虽然大多数传感器都补偿了温度的影响，但大气压的变化会影响气体的密度，从而影响输出结果。此外，质量流量传感器必须针对特定的气体混合物进行校准，因为不同的气体具有不同的热特性。
以校准质量流量传感器，使其输出与两个端口之间的压降成正比，因为正是这种压降驱动了通过传感器的流动。这可能会引起一些混淆，因为这些传感器通常被当作差压传感器出售，而其内部技术实际上是在测量流量。
什么是差压传感器？
传统的差压传感器也有两个压力端口；然而，这两个端口之间没有气体流动。相反，在两个端口之间有一个MEMS膜片（见图3），用于测量压差。膜片的偏转由植入硅片中的压阻器测量，电子电路将此转换为输出信号。
压力传感器和空气质量流量传感器之间的主要差异
流路
压力流量传感器和质量流量传感器之间最明显的区别是气体流动路径的存在与否。为了使质量流量传感器正常工作，必须能够有气体通过它。任何流道中的限制，如污垢或液体，都会改变气动阻力，从而影响输出。相比之下，压力传感器是“死端”。其管路系统中唯一的气体流动是由高压下气体的压缩或膨胀引起的少量气体。管路系统中的污垢或液体只有在堵塞几乎完全阻塞管路时才会导致输出差异。流道中的污染最终附着在质量流量传感器的内表面，也可能影响传热到传感元件，进而影响输出。
只有当通过空气流量传感器的气体不含污染物时，才应使用空气流量传感器。
定性和分辨率
因为质量流量传感器是一种热敏设备，在零流量（或零压差）时比基于应力的压力传感器更稳定。然而，上述故障模式会影响传感器输出的斜率。压力传感器的所有故障模式都倾向于影响设备的零压偏移。压力传感器的斜率很少发生变化。此外，质量流量传感器的感测元件在低流量时的输出会高于高流量时。这意味着即使输出已校正为线性信号，质量流量传感器在极低流量下的分辨率也会优于高流量下。压力传感器的输出在其工作范围内自然接近线性，因此分辨率不会改变（见图4和图5）。
与等效压力传感器相比，质量流量传感器在非常低的流量下具有更好的分辨率和稳定性。
抗污染性
流道中的污染会影响质量流量传感器的输出，方式多样。即使是在传感元件表面形成一层非常薄的液体或污垢，也会干扰热传递，导致斜率误差。除此之外，如果传感器以旁路配置使用，如前所述，任何增加管路中流动阻力的因素都会影响测量结果。当管道堵塞时，需要额外的压力才能使相同流量通过，这将改变流量与压力之间的关系。相比之下，差压传感器的管路中几乎没有空气流动。唯一的移动是少量的空气进出以产生压力变化。严重堵塞的管路可能会在高频应用中造成频率响应问题；然而，传感器的输出将是正确的。通过同时使用压力传感器和质量空气流量传感器进行相同的测量，可以创建一个几乎万无一失的系统。由于压力传感器中的大多数失效模式将影响偏移，而流量传感器中的大多数模式将影响斜率，因此这两种设备不太可能同时以相同的方式失效。
压力传感器的斜率将比质量空气流量传感器的斜率更稳定，且不太可能受到污染的影响。
零点自动校准技术
自动归零是一种基于在已知参考条件下采样输出的压力传感器校准技术，允许对外部输出误差进行额外校正，包括偏移误差、热效应引起的偏移（偏移变化）和偏移漂移。图5和图6显示了压力传感器在校准前后的输出，其中存在较大的偏移。如果该技术能够在应用中实现，它将是一种简单的方法，在获得压力传感器优势的同时避免质量流量传感器的问题。
有两种不同的方法可以应用此技术：
- 最直接的方法是增加一个阀门，将其中一个压力端口与外部系统断开，并连接到另一个端口，从而形成零压状态。这可以在应用中的任何方便时间完成。当然，这种方法的缺点是阀门及其相关管道的成本。
- 另一种方法是“关闭”系统上的压力。例如，在机器启动时，如果产生气流的风扇关闭，传感器应处于零压力状态，并且每次系统启动时都可以重新归零。
功耗
质量流量传感器中的加热器需要电力才能正常工作，并且需要一小段时间来预热和稳定。相比之下，大多数压力传感器中的简单电阻惠斯通电桥消耗的电流要少得多，而且能够迅速稳定。典型的流量传感器可能需要10 mA到15 mA的电流，而同等性能的压力传感器则只需要2 mA。压力传感器的输出通常在2 ms或更小范围内保持稳定，而流量传感器可能需要35 ms。这使得为了节能而采用的电源循环策略效果大打折扣。
压力传感器通常在低功率应用中是首选的。
频率响应
压力传感器的传感元件是一个机械膜片，如图3所示。它通常具有高于10 kHz。在实际应用中，传感器响应通常仅限于大约1 kHz由电子设备提供。相比之下，气流传感器对快速变化的气流响应较慢，倾向于平均化快速变化——回想一下预热时间的不同。精确量化质量流量传感器的频率响应稍微困难一些；然而，在大多数情况下，它可能低于100赫兹。这种差异可能会影响应用中的性能。
查看全文
盛思瑞特-叶工
传感器知识分享：RM3100地磁传感器，板载压力传感器等
评论0条评论