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    基于NSPGD1壓力傳感器的液位檢測設計方案

    發布時間:2021-11-23 來源:納芯微電子 責任編輯:wenwei

    【導讀】NSPGD1是蘇州納芯微電子針對家電市場推出的一款校準過的表壓傳感器。產品采用高性能信號調理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進行溫度和壓力的校準和補償,保證性能和可靠性的同時對封裝進行了集成,易于使用。


    NSPGD1系列集成壓力傳感器可選量程2-10kPa,帶氣嘴的DIP8封裝形式方便客戶焊接和使用,適合于壓力敏感元件結構材料相兼容的非腐蝕性氣體的差壓檢測,特別適用于非接觸式液位檢測等領域,同時也適用于工業及物聯網等領域。該系列支持模擬輸出/數字輸出(IIC)以及特有的頻率輸出功能,應用更加靈活。


    一、系統簡介:


    NSPGD1是蘇州納芯微電子針對家電市場推出的一款校準過的表壓傳感器。產品采用高性能信號調理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進行溫度和壓力的校準和補償,保證性能和可靠性的同時對封裝進行了集成,易于使用。NSPGD1系列集成壓力傳感器可選量程2-10kPa,帶氣嘴的DIP8封裝形式方便客戶焊接和使用,適合于壓力敏感元件結構材料相兼容的非腐蝕性氣體的差壓檢測,特別適用于非接觸式液位檢測等領域,同時也適用于工業及物聯網等領域。該系列支持模擬輸出/數字輸出(IIC)以及特有的頻率輸出功能,應用更加靈活。


    典型應用領域:洗衣機、洗碗機、咖啡機、凈水器等家電上用于液位高度精確測量。


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    產品特性:


    1.     可定制量程2kPa~10kPa,精度高


    2.     模擬電壓/IIC數字輸出/頻率輸出可選


    3.     高穩定性,100%校準,溫度補償


    4.     帶氣嘴DIP8封裝,安裝牢靠,易密封


    5.     芯片正面進壓方式進氣,不易堵塞


    6.     芯片封裝內部防水防潮處理


    二、NSPGD1功能簡介


    該產品通過MEMS壓阻表壓壓力芯體作為壓力敏感元件,該元件會輸出一個與環境壓力呈正比例關系的一個原始信號輸出。內置的調理芯片驅動該敏感元件,并對其原始信號進行放大、溫度補償、線性度補償后輸出一個與施加壓力呈線性關系的電壓信號。該系列支持模擬輸出/數字輸出(IIC)以及特有的頻率輸出功能。


    2.1 NSPGD1模擬輸出形式


    以比例輸出模式為例(輸出電壓值為電源電壓的百分比),該系列模擬輸出型芯片,針對0kPa ~ 6kPa量程范圍,Pmax為6kPa 輸出90%VDD,Pmin為0kPa輸出10%VDD,典型的傳遞函數為:


    25.png


    其中:


    Vout是輸出電壓,單位V;


    VDD是輸入電壓,單位V;


    Ptest是待測壓力,單位kPa;


    表2.1 典型壓力值與輸出電壓對照表

    25-1.png


    1634904589194853.png

    圖2.1 典型輸入輸出圖


    2.2 NSPGD1頻率輸出形式


    該系列頻率輸出型芯片,針對0kPa ~ 6kPa量程范圍,Pmax為6kPa輸出90%FS,Pmin為0kPa輸出10%FS,典型的傳遞函數為:


    27.png


    其中: FREQ是輸出頻率,單位KHz; 


    FS是頻率輸出滿量程值,單位KHz;


    芯片可配置最大頻率至250KHz; 


    Ptest是待測壓力,單位kPa; 


    2.3 NSPGD1 數字(IIC)輸出形式 


    該系列數字(IIC)輸出型芯片,針對0kPa ~ 6kPa量程范圍,其典型傳遞函數為:


    28.png


    其中:Pdata為IIC采集的值;


    數字(IIC)輸出數據具體處理步驟如下:


    給芯片上電;


    1.     IIC將0x30寄存器寫為0x0A;


    2.     等待3ms;


    3.     IIC連續讀取0x06、0x07、0x08寄存器值,假設讀出來的寄存器值分別為data1、data2、data3;


    按照如下步驟將0x06(data1)、0x07(data2)、0x08(data3)的寄存器值轉換為Pdata


    1.     D1=data1*65536+data2*256+data3;


    2.     若D1>8388607,則Pdata=D1-16777215;


    3.     若D1≤8388607,則Pdata=D1;


    舉例說明:


    若0x06、0x07、0x08寄存器的值分別為0x15、0x55、0x56,按照上述步驟,D1=1398102,該D1值小于8388607,則Pdata=1398102,P(Pa)= 500,最終得到壓力值為500Pa;


    本文中液位檢測設計方案是基于IIC數字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器。如果想基于NSPGD1實現模擬量或頻率輸出模式,可以聯系蘇州納芯微電子股份有限公司。


    三、IIC應用電路


    本文采用IIC串行總線通信形式,IIC總線一般有兩根信號線,一根是雙向的數據線SDA,另一根是時鐘線SCL,均通過4.7K上拉電阻上拉到VDD,GND與VDD有0.1uF濾波電容。具體電路框圖,如圖3.1。


    1634904550798438.png

    圖3.1 NSPGD1 IIC輸出型應用電路圖


    四、參考應用結構


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    圖4.1 NSPGD1參考應用結構 


    NSPGD1參考應用結構如圖4.1所示,NSPGD1傳感器通過氣管連接至水箱底部,水箱內水位升高或降低的高度,將等比例對應液體壓強變化,通過NSPGD1高精度傳感器,可以實時得到水箱內液體高度,進而根據不同家電的控制邏輯,實現自動補給或輸送水量。 


    五、傳感器數據處理 


    本文中液位檢測設計方案是基于IIC數字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器,傳感器測量數據與液位高度對應計算方法如下: 


    方法一:壓力對應高度換算:


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    其中:P_f為液體在液桶底面產生的壓強;ρ為液體密度,假設液桶中為水,則水的密度ρ為1.0*10^3kg/m^3;g為重力加速度9.8m/s;h為液體高度,則液體高度h可由下式得到:


    32.png


    傳感器量程0kPa ~ 6kPa,則對應可測量液體高度h范圍為:0~0.612.24m;考慮到實際氣管安裝在液桶底部,蓄水后,有一部分水會進入氣管內,該部水在氣管內形成一部分壓力,導致零點整體漂移,因此實際使用時需要對0點壓力進行補償,具體offset值由于氣管內徑及安裝位置的不同,需實際測試得到:


    33.png


    方法二:直接標定換算:


    通過直接測量標定容器液位高度h與傳感器Pdata關系,得到實際高度h與Pdata傳遞函數,通過Pdata計算得到液位高度,從而免去中間壓力換算引入的誤差。


    六、NSPGD1實際應用及水流量計對比測試


    表5.1 NSPGD1實際應用及水流量計對比測試

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    從表5.1設置水位高度為50mm、200mm、400mm、300mm的4個測試點,通過測試得到以下測試結果:


    表5.2 NSPGD1實際應用及水流量計對比測試結果

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    由表5.2可以看出,NSPGD1的測量結果要比水流量計計算得到的結果精度高,四個測試點中:


    50mm處測量誤差最大為-1.96%(絕對誤差1mm),但此時水位較低,誤差所占此時水位高度比重大;在全量程中,基于對液體壓力實時的測量,NSPGD1的測量結果誤差不會累積,數據比較均衡,液位高度誤差為1~2mm;流量計在運行時間長后由于脈沖累積誤差導致誤差變大測量誤差最大2.68%,絕對誤差達到10mm。


    NSPGD1單個傳感器測量精度0.5%,但由于整個DEMO系統誤差包含亞克力液桶刻度不均勻、氣管連接不可靠、人眼觀察、液體流動引起振動等因素而引入的系統誤差,因此實際應用中液位高度誤差可通過合理布置安裝及算法補償得到控制。


    七、NSPGD1優勢


    1、NSPGD1采用高性能信號調理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進行溫度和壓力的校準和補償,保證性能和可靠性的同時對封裝進行了集成,易于使用;


    2、NSPGD1輸出壓力值為與液位高度值為線性關系,可實時檢測輸出,且無累積誤差,可對滴、漏及水流損失精確測量,可直接替代傳統機械式液位傳感器,并且在直徑確定的系統中可以替代轉子流量計測量流量與體積;


    3、外圍接口電路簡單,多種數據輸出形式可選,方便應用;


    八、總結


    本液位檢測方案基于NSPGD1,外圍器件少、精度高、可實時監測、可對液體無接觸測量,且測量結果無累積誤差。NSPGD1可根據不同客戶需求定制不同量程范圍傳感器,滿足不同家電液位高度測量需求。


    來源:納芯微電子



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