Skip to content
СА · Тема 6 · Метеостанцията

На кой етаж си – барометърът в телефона

Телефонът знае на кой етаж си, без GPS и без Wi-Fi. Вътре има мембрана от силиций, тънка колкото косъм, която се огъва от налягането на въздуха. Всеки етаж нагоре е 36 паскала по-малко – една трихилядна от атмосферата. В урока мерим огъването с мост от тензорезистори, сравняваме го с кондензатор и виждаме защо времето лъже барометъра.

≈ 4 мин четене∿ 3 живи уредаСамопроверка: 5 въпроса

Мембраната ​

Почти всеки сензор за налягане има мембрана (диафрагма): тънка пластинка, затворена от едната страна. Разликата в наляганията от двете ѝ страни я огъва. Сензорите се различават по това как мерят огъването:

ВидКак работиОсобеност
Взаимноиндуктивен (LVDT)мембраната мести сърцевина на диференциален трансформатор; вторичните намотки са в противофазав центъра 0 V, посоката е по фазата
Капацитивенмембраната е едната плоча на кондензатор, C = εA/dчувствителен, малка консумация
Пиезоелектриченкристалът под мембраната дава зарядсамо за променливо налягане (тема 2)
Тензорезистивен4 тензорезистора върху мембраната в мост на Уитстоннай-разпространеният
Оптиченогледало на мембраната отразява лъч или преграда го закриванечувствителен към електромагнитни смущения

Отправната точка решава какво мери сензорът (тема 2). Абсолютният има вакуум зад мембраната и мери цялото налягане, както барометърът. Относителният има отзад атмосферата и мери разликата: налягането в гумата или смукането на прахосмукачката. Нулата на абсолютната скала е вакуумът, а на морското равнище атмосферата е 101,325 kPa.

Етажите в паскали ​

Колкото по-високо се качваш, толкова по-малко въздух има над теб и налягането пада. Близо до земята то пада с около 12 Pa на метър. Барометърът в телефона усеща около 1 Pa, т.е. под 10 cm височина. Затова навигацията в мол знае на кой етаж си, а фитнес гривната брои изкачените стълби.

Сградата е на 550 m, а ти си на етаж 4. Налягането е 947,53 hPa, а един етаж тук е 34,1 Pa. Телефонът, който смята със стандартните 1013,25 hPa на морското равнище, мисли, че си на етаж 4.

Барометърът и етажите
Налягането спада с височината
0500100015002000250030007008009001000височина, mp, hPa
стандартна атмосфера днешното време ти
Фигура 1.

Синята крива е стандартната атмосфера. Пусни циклон: налягането пада с 20 hPa и кривата слиза надолу. Телефонът не го знае и решава, че си се качил с около 170 m, т.е. десетки етажи. Затова барометърът мери добре промени във височината (стълби, асансьор), а абсолютната височина калибрира с GPS или по данни за времето. Обратно, ако стоиш на едно място, барометърът мери времето: падащо налягане значи идва дъжд.

Тензорезистивният MEMS сензор ​

В силициевия чип мембраната е изтънено място с четири дифузни тензорезистора по ръба. Два се опъват (+ε), два се свиват (−ε) и са свързани в пълен мост на Уитстон, точно като кантара (тема 1). При P = 0 мостът е уравновесен, а при налягане ΔU ≈ U·k·ε. Пълният мост дава 4 пъти повече сигнал от един резистор и компенсира температурата.

Тук сензорът е абсолютен (обхват 0–1100 hPa), а налягането е 950 hPa. Мембраната се деформира с ε = 432·10⁻⁶, мостът дава 4,31 mV, а след усилвателя излизат 1,08 V.

Мембрана с мост на Уитстон
±5 V↓ 349,7 Ω↑ 350,3 Ω↑ 350,3 Ω↓ 349,7 Ω100 kΩ25 MΩ100 kΩ25 MΩ−+ABкъм АЦП
Фигура 2.

Абсолютният сензор при 1013 hPa е вече силно огънат, защото отзад е вакуум. Относителният при същото налягане е плосък и мостът дава 0, но е 11 пъти по-чувствителен към малки разлики. Затова за барометър се ползва абсолютен, а за прахосмукачка или вентилация – относителен (диференциален).

Капацитивният: по-чувствителен, но крив ​

Капацитивният сензор ползва мембраната като плоча на кондензатор. Налягането я приближава до другата плоча и C = εA/d расте. Консумацията е малка и чувствителността – голяма. Но C зависи от 1/d: всеки следващ микрометър огъване вдига C повече от предишния. Затова характеристиката е нелинейна и се линеаризира в чипа.

Капацитивен сензор
Капацитетът срещу налягането
02004006008001000050100p, hPaΔC/C₀, %
капацитивен: ΔC/C₀ права през краищата
Фигура 3.

При пълен обхват мембраната е минала половината от пролуката и C се е удвоил. Кривата се отделя от правата през краищата с до 17,2 % от обхвата. Мостът с тензорезистори е почти идеално прав, но дава миливолтове. Кондензаторът дава много по-голяма промяна, но крива.

Самопроверка ​

1. Колко паскала е 1 bar, 1 atm и 1 torr?

1 bar = 100 000 Pa; 1 atm = 101 325 Pa; 1 torr = 133,322 Pa.

2. Каква е разликата между абсолютен и относителен сензор за налягане?

Абсолютният мери спрямо вакуум (зад мембраната е вакуум); относителният – спрямо атмосферата (отзад е отворено). Барометърът е абсолютен, манометърът за гуми – относителен.

3. Защо мембраната е в пълен мост на Уитстон?

Два резистора се опъват, два се свиват – сигналът е 4 пъти по-голям от един резистор, а затоплянето мени и четирите еднакво и се компенсира.

4. Защо пиезоелектричният сензор не става за барометър?

Зарядът изтича – пиезото мери само промени на налягането (удари, звук, детонация), не постоянното налягане.

5. С колко пада налягането на един етаж (3 m) и защо времето пречи на барометъра да мери височина?

С около 36 Pa. Времето мени налягането с до десетки hPa – колкото стотици метри; затова барометърът мери промени на височината, а абсолютната се калибрира.