Heute lernen wir etwas über Luftdruck-Höhenmessersensoren. Wir stellen das Funktionsprinzip der Sensoren vor, gängige Sensortypen, wie man sie findet und kauft, sowie eine praktische Demonstration des Prozesses des Auslesens von Daten von den Sensoren über die MCU.
Inhaltsverzeichnis
Was ist der Luftdruck-Höhenmessersensor?
Der Luftdruck-Höhenmessersensor ist ein Sensor, der die Höhe durch die Änderung des Luftdrucks misst, der nicht so leicht durch Hindernisse im Messvorgang beeinflusst wird und über einen breiten Messhöhenbereich verfügt, der für absolute Höhenmessung und relative Höhenmessung verwendet werden kann. Derzeit sind Smartphones und Smart Wearables meist mit Luftdrucksensoren ausgestattet.
So funktioniert der Luftdruck-Höhenmessersensor
Mithilfe eines Drucksensors kann die aktuelle Höhe berechnet werden, indem die Änderung des Luftdrucks gemessen wird. Dies liegt daran, dass der Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt. Dies liegt daran, dass der atmosphärische Druck der Druck ist, der durch das Gewicht des Gases am Boden erzeugt wird. Mit zunehmender Höhe nimmt die Dicke der Atmosphärenschicht am Standort ab und auch der Atmosphärendruck nimmt ab. Die Höhe kann dann durch Messung der Änderung des Luftdrucks bestimmt werden.
Zur Berechnung der Höhe kann die Luftdruckformel angewendet werden, dann kann der Luftdrucksensor als Luftdruckhöhenmesser verwendet werden:
In der Formel: P ist der aktuelle Druck; P0 ist der Druck auf Meereshöhe (h=0); Die Höhe (h) wird in Metern gemessen. Selbstverständlich geht bei dieser Formel von der atmosphärischen Zusammensetzung und einer Umgebungstemperatur von 15 Grad Celsius aus, was eine anwendungsspezifische Temperaturkompensation erfordert.
Bei der Messung des Luftdrucks ist ein Referenzwert erforderlich, in der Regel der Standard-Atmosphärendruck. Durch die Messung des tatsächlichen Drucks in der Umgebung und den Vergleich mit dem Standardwert kann der Sensor die relative Druckänderung berechnen und so Informationen über die Höhenänderung liefern.
Gängige Arten von Luftdruck-Höhenmessersensoren
Gängige Luftdruck-Höhensensoren können in drei Typen unterteilt werden: piezoresistive, kapazitive und MEMS. Dabei handelt es sich um die Verwendung von Messmedien wie Widerständen, Kapazitäten, mikromechanischen Komponenten usw., deren Verformung aufgrund von Änderungen des Luftdrucks zu Änderungen des Widerstands, der Kapazität und anderen Änderungen der Eigenschaften der Messung von Änderungen des Luftdrucks führt.
Das Grundprinzip piezoresistiver Sensoren besteht darin, dass sich der Widerstand des Materials mit der Änderung des äußeren Luftdrucks ändert und diese Änderung über den Schaltkreis gemessen und in den entsprechenden Luftdruckwert umgewandelt werden kann. Kapazitive Sensoren nutzen die Beziehung zwischen der Kapazität und dem Gasmedium. Der Kapazitätswert ändert sich mit der Änderung des Luftdrucks. Durch Messung der Kapazitätsänderungen wird auf die Änderung des Luftdrucks geschlossen.
Sensoren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) nutzen mikromechanische Strukturen wie winzige dünne Filme oder schwebende mikromechanische Teile, die durch Änderungen des Luftdrucks beeinflusst werden und zu Signaländerungen führen.
1. Piezoresistiver Luftdruck-Höhensensor
Piezoresistive Luftdrucksensoren verwenden typischerweise eine monolithische Siliziumplatte als Membran, die das Luftdruckaufnahmeelement darstellt. Der Druck (Luftdruck) wird berechnet, indem Verunreinigungen auf seiner Oberfläche verteilt werden, um eine Widerstandsbrückenschaltung zu bilden, die die durch den ausgeübten Druck verursachte Verformung in eine Änderung des Widerstandswerts umwandelt.
Das Phänomen, bei dem sich der spezifische Widerstand eines Widerstands abhängig vom auf den Widerstand ausgeübten Druck ändert, wird als piezoresistiver Effekt bezeichnet. Derzeit verwenden die meisten neuen Luftdrucksensor-ICs eine MEMS-Struktur (d. h. Membranstruktur und Piezowiderstand sind zusammen integriert) und einen integrierten Schaltkreis (ASIC) für Temperaturkorrekturverarbeitungs- und Steuerschaltungen usw., die in einem Gehäuse integriert sind, was es ermöglicht, auf einfache Weise hochpräzise Luftdruckinformationen zu erhalten.
2. Kapazitive Luftdruck-Höhenmessersensoren
Kapazitive Luftdrucksensoren basieren auf dem Zusammenhang zwischen Kapazität und Gasmedium. Änderungen des Luftdrucks führen zu Änderungen der Kapazität, und durch die Messung von Kapazitätsänderungen können Änderungen des Luftdrucks abgeleitet werden. Kapazitive Luftdrucksensoren werden häufig für meteorologische Beobachtungen und Höhenmessungen eingesetzt.
Es bietet gegenüber piezoresistiven Luftdrucksensoren folgende Vorteile:
Geringerer Stromverbrauch: Der piezoresistive Typ verwendet während der Messung eine Whisden-Brücke, die Energie verbraucht, während das Messprinzip des kapazitiven Typs nahezu keinen Strom verbraucht;
Geringeres Rauschen: Das thermische Rauschen piezoresistiver Instrumente schränkt die Empfindlichkeit und Auflösung des Barometers radikal ein;
Kapazitiv hat eine höhere Temperaturstabilität: Piezoresistiv ist sehr temperaturempfindlich; Kapazitive Systeme reagieren grundsätzlich empfindlicher auf Änderungen des Luftdrucks, was zu einer höheren Genauigkeit führt.
3.MEMS-Luftdruck-Höhenmessersensoren
Ein typischer MEMS-Drucksensor besteht aus einem Siliziumwafer, der von einer mit einem Referenzdruckgas (oder Vakuum) gefüllten Kammer bedeckt ist. Der Luftdruckunterschied zwischen der Kammer und der Umgebung führt dazu, dass sich der Wafer verbiegt und verformt, was zu mechanischer Spannung führt, die ein proportionales elektrisches Signal erzeugt. Ein integrierter Chip-ASIC erkennt und digitalisiert dieses Signal.
MEMS-Luftdrucksensoren können mechanisch, kapazitiv oder piezoresistiv sein. Es zeichnet sich durch kompakte Größe, geringe Geräuschentwicklung und geringen Stromverbrauch aus und die Genauigkeit der Höhenunterschiedsmessung kann das Niveau von cm erreichen. Es eignet sich für Smartphones, Tablet-PCs, Drohnen, Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR), Smart Home-Geräte usw. und ist die Art von pneumatischem Drucksensor für Mainstream-Anwendungen.
Auswahl und Kauf von pneumatischen Höhenmessersensoren
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Experimentelle Demonstration eines pneumatischen Höhenmessersensors
Wir demonstrieren die Verwendung einer MCU zum Lesen und Anzeigen von Daten eines Luftdruck-Höhenmessersensors. Das Experiment verwendet einen MEMS-Luftdruck-Höhenmessersensor. Bewegen Sie den Luftdrucksensor nach oben und unten. Wir können sehen, dass der Luftdruckwert abnimmt, wenn er steigt, und zunimmt, wenn er fällt, und dass die Änderung des Luftdruckwerts die Änderung der aktuellen Höhe widerspiegelt.
