介绍

最近，我的一个项目需要用到空气压力传感器。我当时在寻找价格低廉且易于获取的产品。该传感器只需在相对于大气压的±10千帕范围内正常工作，并且对精度没有严格要求。简单来说，我需要一个能检测到人在吸气和呼气时产生的轻微真空和过压的传感器。

市面上有不少合适的选择。例如，ST公司推出了MPXx5010传感器系列(最初由恩智浦开发)，还有来自CFSensor等亚洲制造商的传感器产品。然而，问题在于这些产品要么价格相对较高，要么难以获取，特别是在进行一次性开发时更是如此。

这让我不禁好奇，是否有可能仅使用价格低廉、易于获取的组件，就能制造出一款性能足够出色的压力传感器。

事实证明，在某种程度上，确实如此。

最终制成的传感器永远无法与市售设备一样精确或可靠。不过，它在实现预期功能方面表现得出奇地好。经过初始校准后，它在典型的室内温度范围内能保持相当稳定的性能，并且对湿度也不太敏感。

在本文中，我不会对传感器进行科学分析，也不会提供完整的规格说明。我预计，由于制造工艺、使用材料以及其他无数不可控因素的差异，每个传感器的表现都会有所不同，而在家中制作这类设备时，要严格控制这些因素几乎是不可能的。

相反，我的目标是证明，人们完全可以打造出一种简单、低成本的压力传感器，它足以满足某些应用场景的需求。我将介绍我是如何制作这款传感器的，这样其他人就能借鉴这个设计，进行改进，或者基于我的代码和3D模型，为自己的项目开发相关产品。

传感器创意构想

制造压力传感器面临诸多挑战，而使用3D打印部件制造更是难上加难。我最初的想法是打印一个空心主体，配上薄膜，并在薄膜上安装应变计。经过多次改进，我得出结论：采用两部分设计将是最佳解决方案：

下部构成了厚度为0.4毫米的薄膜。一个圆形壁直接打印在薄膜上，形成气室，并为顶盖提供了安装表面。顶盖内装有软管连接器和两个螺丝安装点。顶盖比薄膜厚得多，以提供必要的刚性。两个部件使用强力胶粘合在一起，形成密封。我使用PLA+材料打印外壳，不过PETG材料可能也是一个不错的选择。

进行测量时，我使用了两个应变计，采用半桥配置。其中一个应变计安装在薄膜中央，当施加正压时，它会承受拉伸应变。第二个应变计则安装在薄膜边缘，在同等压力作用下，其会承受压缩应变。

这种布置方式还有另一个重要优势：热补偿。由于两个应变计几乎安装在同一表面上，它们会经历相同的温度变化。因此，它们的电阻变化幅度大致相同，从而抵消了大部分由温度引起的误差。

传感器组件

组装传感器可能会有点挑战性。最精细的步骤是将应变计安装到薄膜上。我认为没有一种"最佳"的安装方法。虽然可以先安装应变计，再焊接电线，但我不建议采用这种方法，因为焊接过程中产生的热量很容易使薄膜的某些部分变形或融化。

接下来，我将介绍一种我认为最可靠、最易于操作的组装方法。

首先，我用两条小段的胶带将应变计固定在干净的表面上，保持正确的间距(8.5毫米)，同时将焊盘暴露出来。

接下来，我在侧面加贴了额外的胶带，以确保在将电线焊接到应变计时，一切都保持原位。参考电压连接我使用了红黑两色的电线，而信号线则用了黄色电线。信号线的绝缘层被剥开，这样就能同时连接到两个应变计上，使得焊接过程变得简单许多。

连接好电线并用异丙醇擦拭整个组件后，我在整个组件上又贴了一层胶带，并用美工刀将其裁剪至合适的宽度。

然后，可以将整个组件抬起并放置在膜片上。为此，首先使用外壳侧面的对齐标记或随附的可打印模板标记出膜片的中心位置。请注意，不要使用应变计本身的中心位置，而是要使用应变计上的对齐标记。

用传感器组件上与电线相对的一侧作为铰链，将组件抬起。这样可以确保在涂抹胶水后，组件能准确地恢复到原来的位置。在应变计上涂抹少量强力胶，然后将组件重新放回薄膜上。用力均匀地将应变计压在薄膜上15至30秒。待胶水凝固后，尽可能将传感器组件上的转移胶带小心地撕掉。

如有需要，您可以涂抹少量额外的胶水，将电线固定在传感器侧面，以增强抗拉强度并避免电线受损。

最后一步，将传感器的两半粘合在一起。沿着底部部分的边缘涂抹少量强力胶，然后将顶部盖板紧紧按压到位。保持按压15到30秒，待胶水完全固化后即可完成组装。

您的传感器现在已准备好投入使用了。

进行测量

如今，我们在薄膜上安装了两个电阻器，当施加压力时，它们的电阻会发生微小的变化。为了让传感器发挥作用，我们需要测量这些细微的电阻变化。

两个应变计构成了惠斯通电桥的一半。通过添加第二个分压器，并将两个分压器连接到同一基准电压上，我们就完成了电桥的搭建。两半电桥之间的电压差正是我们感兴趣的测量量。理想情况下，基准分压器应保持稳定，而应变计分压器两端的电压则会随施加的压力而变化。

由于这些电压变化极其微小，因此在进行测量之前必须对其进行放大。由于我们对两路桥式输出之间的差异感兴趣，因此差分放大器

用分立元件搭建这样的电路实在是太复杂了。相反，我强烈推荐使用现成的解决方案，比如HX711或HX717。这些价格低廉的集成电路集成了我们所需的一切功能：稳定的参考电压、差分放大器以及高分辨率模数转换器。下面的示例展示了如何将传感器连接到HX717上。R1和R2代表传感器上的应变计。

恭喜你！我们现在已经得到了施加压力的数字化表示。但这真的有用吗？恐怕还不够。原始数据没有经过校准，也没有任何有意义的参考点。相反，我们得到的只是一个整数，它并不能直接对应任何物理量。

因此，校准是至关重要的一步，这也将我们引向了项目的软件部分。首先，我们需要确定零压力的参考点，然后再设置一个或多个校准点，以此来界定测量范围。

乍一看，似乎只需在不施加压力的情况下测量传感器即可确定其零点。但实际上，零点值会因之前施加的负载而产生漂移。施加正压力后，静息值会略高于施加负压力后的静息值。因此，传感器实际上有两个不同的零点：一个用于正向测量，另一个用于负向测量。

一个切实可行的解决方案是，将这两个零点之间的所有数值都视为零。正零点以上的测量值以该值作为参考，而负零点以下的测量值则以负值作为参考。然后，将测量值在对应的零点与校准后的最大值或最小值之间进行线性插值，这样一来，结果就可以用更直观的范围来表达了，比如±100%。

我没有将传感器与任何特定的物理参考值进行校准，因此无法对其绝对准确度或线性度做出任何保证。相反，我是根据自己执行吸气和呼气手势的能力来对其进行校准的。

如果你能获取能够产生稳定压力或真空的设备，并且能够进行一些测量，我会对测量结果非常感兴趣，特别是关于传感器的线性度方面。

不过就我个人使用需求而言，把传感器校准到适合自己吸气和呼气力度就完全足够了 ;)

我编写了一些代码，用于执行信号调理和校准工作。你们可以在本帖的下载区找到这些代码。

最后的感想

所描述的传感器在其预期用途上表现得相当出色，我认为它在DIY项目中也有一定的应用潜力。我还没见过有任何产品采用类似的技术，所以我觉得把它写出来并分享这个想法还是挺值得的。

打印传感器在形状设计和安装方式上也具有极大的灵活性。这使得你能够制造出配备定制传感器的产品，而这在使用商用传感器时是无法实现的。你甚至可以将传感器直接集成到产品的外壳中。

如果你能在自己的某个项目中运用这个想法，我很乐意听听你的成果。