基础知识之气压传感器

气压传感器是一种测量周围环境中气体压力的传感器。这些传感器通常包括一个压敏元件，例如挠性金属薄片、半导体材料或陶瓷材料。当受到气体压力作用后，压敏元件会发生微小的形变，并且这种形变会被转换成与压力成正比的电信号输出。气压传感器是一种非常常见的传感器类型，在各个领域都有重要作用。

气压传感器的原理基于压电效应或压阻效应。挠性金属薄片传感器通常采用压电效应，当受到气体压力作用时，金属薄片会产生形变，并且这种形变会引起其表面电荷分布的改变。通过测量这个电荷分布的变化，可以得出与压力成正比的电信号输出。而半导体材料则使用压阻效应，即在不同的压力下产生不同的电阻值。现在的气压传感器作为使用MEMS技术的产品被广泛普及。

MEMS气压传感器主要有两种类型：压电电阻式和静电电容式。

压电电阻式传感器：这种传感器使用了压电材料作为感应元件，使用Si单晶板作为隔膜（压力接收元件），通过在其表面上扩散杂质形成电阻桥电路，将施加压力时产生的变形作为电阻值变化，来计算压力（气压）。当外界压力变化作用于传感器时，压电材料会产生电荷分布的变化，从而导致电阻值发生变化。通过测量电阻的变化可以获得与压力相关的信号。压电电阻式传感器具有快速响应、较高的灵敏度和稳定性，被广泛应用于气压测量、气体流量测量等领域。

压电电阻式气压传感器具有以下几个特点：

• 高灵敏度：压电材料对于微小的压力变化非常敏感，能够快速响应气压的变化。
• 宽测量范围：这种类型的传感器通常具有较大的测量范围，可以适应不同的气压条件。
• 高稳定性：压电材料的性能相对稳定，具有较低的温度漂移和长期稳定性，能够提供可靠的气压测量结果。
• 快速响应时间：由于压电材料的优异特性，压电电阻式气压传感器具有快速的响应时间，可以实时监测气压变化。
• 宽工作温度范围：这种传感器通常能够在较宽的温度范围内正常工作，适用于不同环境下的气压测量。
• 小型化和集成化：压电电阻式气压传感器可以制造成小型化和集成化的封装形式，方便安装和集成到各种设备和系统中。
• 低功耗：这种传感器通常具有低功耗的特点，适用于电池供电或对能源消耗敏感的应用场景。

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图1：压阻电阻式气压传感器结构

静电电容式传感器：这种传感器利用了静电电容效应。传感器内部有一个微小的空气腔体，当外界压力变化时，腔体的体积会发生微小变化，进而改变了电容值。通过测量电容的变化可以得到与压力相关的信号。静电电容式传感器具有较高的灵敏度和精度，适用于气压测量、液位测量等应用。

静电电容式气压传感器具有以下几个优点：

• 高精度和灵敏度：静电电容式气压传感器可以提供高精度的气压测量结果。它们能够感知微小的气压变化，并将其转化为电容变化的信号。由于电容变化与压力变化之间存在线性关系，传感器能够提供准确的气压读数。
• 宽测量范围：静电电容式气压传感器通常具有较宽的测量范围。它们可以在大气压力的不同范围内进行准确测量，从低气压到高气压都具备可靠性。
• 快速响应时间：这类传感器具有快速的响应时间。它们能够迅速感知并转换气压变化，提供即时的测量结果。这对于实时应用，如气象观测、控制系统和自动化系统等非常重要。
• 低功耗：静电电容式气压传感器通常具有低功耗特性。它们能够在持续运行的情况下消耗较少的能量，适用于需要长时间使用的应用和电池供电设备。
• 小型化和集成化：这种类型的传感器通常具有小型化的设计。它们占用空间较小，适用于对尺寸要求严格的应用场景。此外，静电电容式气压传感器也可以与其他传感器或电路集成在一起，以实现更多功能的综合系统。

图2：静电电容式气压传感器结构

这两种传感器各有优势，选择取决于具体应用需求。压电电阻式传感器在快速响应和稳定性方面较好，适用于对动态压力变化敏感的应用；静电电容式传感器具有高灵敏度和较高的分辨率，适用于对静态和微小压力变化的测量。

气压传感器是一种用于测量大气压力的传感器，它在许多领域都有广泛的应用。以下是一些气压传感器的常见应用：

天气预报：气压是天气变化的重要指标之一。气压传感器可以用于测量大气压力的变化，并根据这些数据来预测天气的变化。通过监测气压的趋势，可以预测是否有即将来临的降雨、气温变化等天气情况。

导航和高度测量：气压传感器可以用于测量高度和海拔高度。它们可用于飞机、导航系统、高空气球等应用中，帮助确定物体或载具相对于地面的高度位置。例如，在航空中，气压传感器配合其他传感器（如加速度计、陀螺仪等）使用，可提供精确的高度测量数据。

环境监测：气压传感器可用于环境监测和气候研究。它们可以测量大气压力的变化，帮助科学家了解和研究气候模式、气象现象以及大气层的变化。这些传感器广泛应用于气象站、环境监测设备和气候研究项目中。

气压补偿：气压传感器可以用于补偿其他传感器的测量误差。在某些应用中，如液位测量、气体流量测量等，气压传感器可以测量环境大气压力的变化，并将其应用于修正其他传感器的输出，以提供更准确的测量结果。

总之，气压传感器在天气预报、导航和高度测量、环境监测以及补偿其他传感器等方面发挥着重要作用。它们帮助我们获得关于大气压力的信息，从而推断气候变化、确定高度位置和改进其他测量系统的准确性

honeywell：(霍尼韦尔)- Honeywell 是一家知名的传感器制造商，提供各种类型的气压传感器，包括绝对压力传感器和差压传感器。

bosch-sensortec：(博世传感器技术) - Bosch Sensortec 专注于MEMS(微机电系统)传感器技术，其产品线包括气压传感器，广泛应用于手机、智能手表和其他移动设备中。

sensirion：(森赛龙)- Sensirion 是一家瑞士公司，专注于各种环境传感器，包括气压传感器。他们提供高精度的数字式气压传感器，适用于工业、医疗和消费电子等领域。

TE Connectivity：(泰科电子)- TE Connectivity 是一家综合性电子元器件制造商，他们提供气压传感器解决方案，用于航空航天、汽车、医疗和工业等领域。

from machine import I2C, Pin
import time
i2c = I2C(0, scl=Pin(21), sda=Pin(20), freq=400_000)
ms5611_c = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
GY63_ADDRESS = 0x77
print(i2c.scan())
def reset():
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x1E]))
    time.sleep(0.01)
def init():
    reset()
    for i in range(8):
        ms5611_c[i] = prom(i)
def prom(coef_num):
    rxbuff = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0XA0+coef_num*2, 3)
    return rxbuff[0] << 8 | rxbuff[1]    
def read_pressure():   
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x48]))   
    time.sleep(0.02)    
    data = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0, 3)    
    pressure = (data[0] << 16) + (data[1] << 8) + data[2]    
    return pressure
def read_temperature():
    i2c.writeto(GY63_ADDRESS, bytearray([0x58]))   
    time.sleep(0.02)    
    data = i2c.readfrom_mem(GY63_ADDRESS, 0, 3)    
    temperature = (data[0] << 16) + (data[1] << 8) + data[2]   
    return temperature
def calculate(ut, up):
    dT = ut - (ms5611_c[5] << 8)
    off = (ms5611_c[2] << 16) + ((ms5611_c[4]*dT) >> 7)
    sens = (ms5611_c[1] << 15) + ((ms5611_c[3]*dT) >> 8)
    temp = 2000 + ((dT*ms5611_c[6]) >> 23)   
    if (temp < 2000):
        delt = temp - 2000
        delt = 5 * delt *delt
        off = off - (delt >> 1)
        sens = sens - (delt >> 2)   
    if (temp < -1500):
        delt = temp + 1500
        delt = delt * delt
        off = off - (7 * delt)
        sens = sens - ((11 * delt) >> 1)   
    temp = temp - ((dT*dT) >> 31)
    press = (((int(up)*sens) >> 21) - off) >> 15
    return press, temp   
init()
while True:
    up = read_pressure()
    ut = read_temperature()
    pressure, temperature = calculate(ut, up)
    print("Pressure:", pressure)
    print("Temperature:", temperature)    
    time.sleep(1)  

结果显示：