摘要
隨著MEMS傳感器的設(shè)計(jì)和制造工藝的進(jìn)步，MEMS壓力傳感器被廣泛用于醫(yī)療、汽車和消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域。例如，壓力傳感器可用于監(jiān)測血壓，汽車廠商利用氣壓傳感器優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)能效，提醒駕駛員輪胎氣壓不足。
最近幾年，隨著MEMS壓力傳感器的性能不斷提高，成本和尺寸不斷降低，消費(fèi)電子廠商開始使用壓力傳感器與慣性傳感器和地磁傳感器模組實(shí)現(xiàn)航位推測和導(dǎo)航功能。
本文論述如何在個(gè)人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系。第二部門描述如何使用壓力傳感器計(jì)算海拔高度。第三部分介紹如何在一個(gè)個(gè)人導(dǎo)航儀如智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器。
1. 大氣壓與海拔高度的關(guān)系
在個(gè)人導(dǎo)航儀中，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。
下面是大氣壓測量單位：
· psi – 磅/平方英寸
· cm/Hg – 水銀柱高(厘米)
· cm/Hg – 水銀柱高(英寸)
· Pa – 帕，國際制壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m2
· bar – 巴，氣壓單位，1 bar = 105Pa
· mbar – 毫巴，1mbar = 10-3 bar
我們居住在地球大氣層的底層，大氣壓隨著海拔高度上升而降低。我們將在59 ℉時(shí)的29.92 in/Hg海平面氣壓規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這個(gè)平均值不受時(shí)間影響，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。
因此，上述壓力單位之間的換算關(guān)系是:
1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar
可以用下面的表達(dá)式表示大氣壓與海拔高度之間關(guān)系 [1]:
其中:
P0 是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，等于1013.25 mbar;
Altitude是以米為單位的海拔高度。
P是在某一高度的以mbar為單位的氣壓
圖1根據(jù)上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關(guān)系。
如圖1所示，當(dāng)高度從海平面上升到海拔11,000米高時(shí)，大氣壓從1013.25 mbar降到230 mbar。我們從圖中不難看出，當(dāng)高度低于 1,500米時(shí)，大氣壓幾乎呈線性降低，每100米大約降低11.2 mbar，即每10米大約降低1.1 mbar。為了取得更精確的高度測量數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)應(yīng)用中構(gòu)建一個(gè)大氣壓高度查詢表，根據(jù)壓力傳感器的測量結(jié)果，確定對(duì)應(yīng)的海拔高度。
如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對(duì)MEMS壓力傳感器，測量高度可達(dá)海拔9,165米到海平面以下698米。
圖 1: 大氣壓與海拔高度的關(guān)系
