个人导航仪中的MEMS压力传感器

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随着MEMS传感器的设计和制造工艺的进步,MEMS压力传感器被广泛用于医疗、汽车和消费电子等应用领域。例如,压力传感器可用于监测血压,汽车厂商利用气压传感器优化发动机能效,提醒驾驶员轮胎气压不足。

最近几年,随着MEMS压力传感器的性能不断提高,成本和尺寸不断降低,消费电子厂商开始使用压力传感器与惯性传感器和地磁传感器模组实现航位推测和导航功能。

本文论述如何在个人导航仪内利用MEMS压力传感器辅助GPS接收器测量海拔高度。本文第一部分概述大气压与海拔高度的关系。第二部门描述如何使用压力传感器计算海拔高度。第三部分介绍如何在一个个人导航仪如智能手机内集成压力传感器。

1. 大气压与海拔高度的关系
在个人导航仪中,MEMS压力传感器充当气压计用于测量海拔高度变化。因此,我们必须了解不同高度的大气压。
 
下面是大气压测量单位:
  • psi – 磅/平方英寸
  • cm/Hg – 水银柱高(厘米)
  • cm/Hg – 水银柱高(英寸)
  • Pa – 帕,国际制压力单位 (SI) ,1Pa = 1 N/m2
  • bar – 巴,气压单位,1 bar = 105Pa
  • mbar – 毫巴,1mbar = 10-3 bar
我们居住在地球大气层的底层,大气压随着海拔高度上升而降低。我们将在59 ℉时的29.92 in/Hg海平面气压规定为标准大气压,这个平均值不受时间影响,而受到测量点的地理位置、气温和气流的影响。
 
因此,上述压力单位之间的换算关系是:
 
       1 个标准大气压 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar
 
可以用下面的表达式表示大气压与海拔高度之间关系 [1]:
                                                        
其中:
       P0 是标准大气压,等于1013.25 mbar;
       Altitude是以米为单位的海拔高度。
       P是在某一高度的以mbar为单位的气压
 
图1根据上面的公式描述了大气压变化与海拔高度的关系。
 
如图1所示,当高度从海平面上升到海拔11,000米高时,大气压从1013.25 mbar降到230 mbar。我们从图中不难看出,当高度低于 1,500米时,大气压几乎呈线性降低,每100米大约降低11.2 mbar,即每10米大约降低1.1 mbar。为了取得更精确的高度测量数据,可以在目标应用中构建一个大气压高度查询表,根据压力传感器的测量结果,确定对应的海拔高度。
 
如果使用全量程为300 mbar到1100 mbar的绝对MEMS压力传感器,测量高度可达海拔9,165米到海平面以下698米。
 
1:       大气压与海拔高度的关系
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