壓力傳感器和流量傳感器均可用于測(cè)量空氣流速。

在許多應(yīng)用中，兩種類型的傳感器通常與流量限制裝置結(jié)合使用，以產(chǎn)生壓差。有些“空氣流量”傳感器因其校準(zhǔn)方式而被稱為“差壓”傳感器，而不是基于其內(nèi)部技術(shù)。我們以下的說(shuō)明是想澄清這兩種傳感器類型之間的區(qū)別淆，解釋它們之間的差異，說(shuō)明哪種類型更適合的特定應(yīng)用。

什么是空氣流量傳感器？

最簡(jiǎn)單地說(shuō)，空氣流量傳感器，更準(zhǔn)確地稱為空氣質(zhì)量流量傳感器，是一種具有兩個(gè)壓力端口的裝置，氣體從一個(gè)端口流向另一個(gè)端口（見(jiàn)圖1）。在傳感器內(nèi)部，有一個(gè)帶有加熱表面的感應(yīng)元件。當(dāng)氣體流過(guò)感應(yīng)元件時(shí)，熱量從上游傳遞到下游，如圖2所示。這產(chǎn)生與流動(dòng)的材料質(zhì)量成比例的熱不平衡，可以通過(guò)電子電路測(cè)量。

重要的是要記住，傳感器是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)量質(zhì)量流量，而不是實(shí)際通過(guò)的氣體體積。雖然大多數(shù)傳感器都補(bǔ)償了溫度的影響，但大氣壓的變化會(huì)影響氣體的密度，從而影響輸出結(jié)果。此外，質(zhì)量流量傳感器必須針對(duì)特定的氣體混合物進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)椴煌臍怏w具有不同的熱特性。

以校準(zhǔn)質(zhì)量流量傳感器，使其輸出與兩個(gè)端口之間的壓降成正比，因?yàn)檎沁@種壓降驅(qū)動(dòng)了通過(guò)傳感器的流動(dòng)。這可能會(huì)引起一些混淆，因?yàn)檫@些傳感器通常被當(dāng)作差壓傳感器出售，而其內(nèi)部技術(shù)實(shí)際上是在測(cè)量流量。

什么是差壓傳感器？

傳統(tǒng)的差壓傳感器也有兩個(gè)壓力端口；然而，這兩個(gè)端口之間沒(méi)有氣體流動(dòng)。相反，在兩個(gè)端口之間有一個(gè)MEMS膜片（見(jiàn)圖3），用于測(cè)量壓差。膜片的偏轉(zhuǎn)由植入硅片中的壓阻器測(cè)量，電子電路將此轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)。

壓力傳感器和空氣質(zhì)量流量傳感器之間的主要差異

流路

壓力流量傳感器和質(zhì)量流量傳感器之間最明顯的區(qū)別是氣體流動(dòng)路徑的存在與否。為了使質(zhì)量流量傳感器正常工作，必須能夠有氣體通過(guò)它。任何流道中的限制，如污垢或液體，都會(huì)改變氣動(dòng)阻力，從而影響輸出。相比之下，壓力傳感器是“死端”。其管路系統(tǒng)中唯一的氣體流動(dòng)是由高壓下氣體的壓縮或膨脹引起的少量氣體。管路系統(tǒng)中的污垢或液體只有在堵塞幾乎完全阻塞管路時(shí)才會(huì)導(dǎo)致輸出差異。流道中的污染最終附著在質(zhì)量流量傳感器的內(nèi)表面，也可能影響傳熱到傳感元件，進(jìn)而影響輸出。

只有當(dāng)通過(guò)空氣流量傳感器的氣體不含污染物時(shí)，才應(yīng)使用空氣流量傳感器。

定性和分辨率

因?yàn)橘|(zhì)量流量傳感器是一種熱敏設(shè)備，在零流量（或零壓差）時(shí)比基于應(yīng)力的壓力傳感器更穩(wěn)定。然而，上述故障模式會(huì)影響傳感器輸出的斜率。壓力傳感器的所有故障模式都傾向于影響設(shè)備的零壓偏移。壓力傳感器的斜率很少發(fā)生變化。此外，質(zhì)量流量傳感器的感測(cè)元件在低流量時(shí)的輸出會(huì)高于高流量時(shí)。這意味著即使輸出已校正為線性信號(hào)，質(zhì)量流量傳感器在極低流量下的分辨率也會(huì)優(yōu)于高流量下。壓力傳感器的輸出在其工作范圍內(nèi)自然接近線性，因此分辨率不會(huì)改變（見(jiàn)圖4和圖5）。

與等效壓力傳感器相比，質(zhì)量流量傳感器在非常低的流量下具有更好的分辨率和穩(wěn)定性。

抗污染性

流道中的污染會(huì)影響質(zhì)量流量傳感器的輸出，方式多樣。即使是在傳感元件表面形成一層非常薄的液體或污垢，也會(huì)干擾熱傳遞，導(dǎo)致斜率誤差。除此之外，如果傳感器以旁路配置使用，如前所述，任何增加管路中流動(dòng)阻力的因素都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。當(dāng)管道堵塞時(shí)，需要額外的壓力才能使相同流量通過(guò)，這將改變流量與壓力之間的關(guān)系。相比之下，差壓傳感器的管路中幾乎沒(méi)有空氣流動(dòng)。唯一的移動(dòng)是少量的空氣進(jìn)出以產(chǎn)生壓力變化。嚴(yán)重堵塞的管路可能會(huì)在高頻應(yīng)用中造成頻率響應(yīng)問(wèn)題；然而，傳感器的輸出將是正確的。通過(guò)同時(shí)使用壓力傳感器和質(zhì)量空氣流量傳感器進(jìn)行相同的測(cè)量，可以創(chuàng)建一個(gè)幾乎萬(wàn)無(wú)一失的系統(tǒng)。由于壓力傳感器中的大多數(shù)失效模式將影響偏移，而流量傳感器中的大多數(shù)模式將影響斜率，因此這兩種設(shè)備不太可能同時(shí)以相同的方式失效。

壓力傳感器的斜率將比質(zhì)量空氣流量傳感器的斜率更穩(wěn)定，且不太可能受到污染的影響。

零點(diǎn)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)

自動(dòng)歸零是一種基于在已知參考條件下采樣輸出的壓力傳感器校準(zhǔn)技術(shù)，允許對(duì)外部輸出誤差進(jìn)行額外校正，包括偏移誤差、熱效應(yīng)引起的偏移（偏移變化）和偏移漂移。圖5和圖6顯示了壓力傳感器在校準(zhǔn)前后的輸出，其中存在較大的偏移。如果該技術(shù)能夠在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)，它將是一種簡(jiǎn)單的方法，在獲得壓力傳感器優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避免質(zhì)量流量傳感器的問(wèn)題。

有兩種不同的方法可以應(yīng)用此技術(shù)：

最直接的方法是增加一個(gè)閥門，將其中一個(gè)壓力端口與外部系統(tǒng)斷開(kāi)，并連接到另一個(gè)端口，從而形成零壓狀態(tài)。這可以在應(yīng)用中的任何方便時(shí)間完成。當(dāng)然，這種方法的缺點(diǎn)是閥門及其相關(guān)管道的成本。

另一種方法是“關(guān)閉”系統(tǒng)上的壓力。例如，在機(jī)器啟動(dòng)時(shí)，如果產(chǎn)生氣流的風(fēng)扇關(guān)閉，傳感器應(yīng)處于零壓力狀態(tài)，并且每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)都可以重新歸零。

功耗

質(zhì)量流量傳感器中的加熱器需要電力才能正常工作，并且需要一小段時(shí)間來(lái)預(yù)熱和穩(wěn)定。相比之下，大多數(shù)壓力傳感器中的簡(jiǎn)單電阻惠斯通電橋消耗的電流要少得多，而且能夠迅速穩(wěn)定。典型的流量傳感器可能需要10 mA到15 mA的電流，而同等性能的壓力傳感器則只需要2 mA。壓力傳感器的輸出通常在2 ms或更小范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而流量傳感器可能需要35 ms。這使得為了節(jié)能而采用的電源循環(huán)策略效果大打折扣。

壓力傳感器通常在低功率應(yīng)用中是首選的。

頻率響應(yīng)

壓力傳感器的傳感元件是一個(gè)機(jī)械膜片，如圖3所示。它通常具有高于10 kHz。在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器響應(yīng)通常僅限于大約1 kHz由電子設(shè)備提供。相比之下，氣流傳感器對(duì)快速變化的氣流響應(yīng)較慢，傾向于平均化快速變化——回想一下預(yù)熱時(shí)間的不同。精確量化質(zhì)量流量傳感器的頻率響應(yīng)稍微困難一些；然而，在大多數(shù)情況下，它可能低于100赫茲。這種差異可能會(huì)影響應(yīng)用中的性能。