壓力傳感器和流量傳感器均可用于測量空氣流速。

在許多應用中，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，說明哪種類型更適合的特定應用。

什么是空氣流量傳感器？

最簡單地說，空氣流量傳感器，更準確地稱為空氣質(zhì)量流量傳感器，是一種具有兩個壓力端口的裝置，氣體從一個端口流向另一個端口（見圖1）。在傳感器內(nèi)部，有一個帶有加熱表面的感應元件。當氣體流過感應元件時，熱量從上游傳遞到下游，如圖2所示。這產(chǎn)生與流動的材料質(zhì)量成比例的熱不平衡，可以通過電子電路測量。

重要的是要記住，傳感器是在標準條件下測量質(zhì)量流量，而不是實際通過的氣體體積。雖然大多數(shù)傳感器都補償了溫度的影響，但大氣壓的變化會影響氣體的密度，從而影響輸出結(jié)果。此外，質(zhì)量流量傳感器必須針對特定的氣體混合物進行校準，因為不同的氣體具有不同的熱特性。

以校準質(zhì)量流量傳感器，使其輸出與兩個端口之間的壓降成正比，因為正是這種壓降驅(qū)動了通過傳感器的流動。這可能會引起一些混淆，因為這些傳感器通常被當作差壓傳感器出售，而其內(nèi)部技術(shù)實際上是在測量流量。

什么是差壓傳感器？

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

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它。任何流道中的限制，如污垢或液體，都會改變氣動阻力，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才會導致輸出差異。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，進而影響輸出。

只有當通過空氣流量傳感器的氣體不含污染物時，才應使用空氣流量傳感器。

定性和分辨率

因為質(zhì)量流量傳感器是一種熱敏設備，在零流量（或零壓差）時比基于應力的壓力傳感器更穩(wěn)定。然而，上述故障模式會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元件在低流量時的輸出會高于高流量時。這意味著即使輸出已校正為線性信號，質(zhì)量流量傳感器在極低流量下的分辨率也會優(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，因此分辨率不會改變（見圖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，也會干擾熱傳遞，導致斜率誤差。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阻力的因素都會影響測量結(jié)果。當管道堵塞時，需要額外的壓力才能使相同流量通過，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有空氣流動。唯一的移動是少量的空氣進出以產(chǎn)生壓力變化。嚴重堵塞的管路可能會在高頻應用中造成頻率響應問題；然而，傳感器的輸出將是正確的。通過同時使用壓力傳感器和質(zhì)量空氣流量傳感器進行相同的測量，可以創(chuàng)建一個幾乎萬無一失的系統(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，因此這兩種設備不太可能同時以相同的方式失效。

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。

零點自動校準技術(shù)

自動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技術(shù)，允許對外部輸出誤差進行額外校正，包括偏移誤差、熱效應引起的偏移（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前后的輸出，其中存在較大的偏移。如果該技術(shù)能夠在應用中實現(xiàn)，它將是一種簡單的方法，在獲得壓力傳感器優(yōu)勢的同時避免質(zhì)量流量傳感器的問題。

有兩種不同的方法可以應用此技術(shù)：

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

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

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，并且需要一小段時間來預熱和穩(wěn)定。相比之下，大多數(shù)壓力傳感器中的簡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用中是首選的。

頻率響應

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