該參考設(shè)計(jì)是液位測量和控制系列中的首個(gè)。在第1部分中，描述了現(xiàn)代壓力傳感器之間的差異，并強(qiáng)調(diào)了微機(jī)電（MEMS）溫度補(bǔ)償硅壓力傳感器的最新進(jìn)展的好處。這些傳感器現(xiàn)在價(jià)格合理，采用多種封裝，對各種精密傳感應(yīng)用（包括液位測量）具有吸引力。然后，該文檔介紹了一種使用補(bǔ)償硅壓力傳感器和高精度Δ-Σ型ADC的經(jīng)濟(jì)高效的低功耗液位測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）。本文將解釋如何選擇補(bǔ)償硅壓力傳感器。它將建議系統(tǒng)算法，分析噪聲，并提供校準(zhǔn)思路，以提高系統(tǒng)性能，同時(shí)降低復(fù)雜性和成本。

測量壓力——回顧

可以說，現(xiàn)代壓力測量是由意大利物理學(xué)家Evangelista Torricelli1通過他在1643年發(fā)明的水銀氣壓計(jì)開始的。托里切利用水銀填充一米長的玻璃管，在一端密封管子，并將其與開口端垂直放置在裝滿水銀的容器中。水銀柱下降到約760毫米，在其水平上方留下了空白空間。壓力單元Torr是為了紀(jì)念這位發(fā)明者而命名的，其比率為1比760標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。血壓2在世界大部分地區(qū)以Torr（毫米汞柱）為單位。當(dāng)代壓力單位包括由國際系統(tǒng)（SI）定義為主要壓力單位的Pa（Pa = N / m2）。在美國，一種流行的壓力測量單位是測量磅/平方英寸 （PSI） 的“條”。由于歷史和技術(shù)原因，在各種壓力單位之間轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)單位測量是一項(xiàng)相當(dāng)繁瑣的任務(wù)。盡管如此，廣泛使用的免費(fèi)換算表或免費(fèi)的在線單位轉(zhuǎn)換器可以使工程師更輕松地完成任務(wù)。壓力傳感器按測量類型分為兩大類：

絕對壓力傳感器，測量相對于完美真空壓力的壓力。絕對壓力傳感器的一個(gè)例子是圖1所示的水銀（Hg）氣壓計(jì)。

差壓傳感器，用于測量作為傳感單元輸入的兩個(gè)或多個(gè)壓力之間的差異。這種傳感器的一個(gè)應(yīng)用示例是差壓流量計(jì)（圖2），其中流體速度的變化會(huì)產(chǎn)生壓力變化并產(chǎn)生壓差，ΔP = P1 - P2

圖2.對于這種類型的流量計(jì)，體積流量Q通過一個(gè)簡單的公式與ΔP相關(guān)，該公式測量流量，從而確定消耗量

表壓傳感器是另一種類型的差分傳感器，用于測量與大氣壓力的相對壓力。這種傳感器的一個(gè)例子是流行的輪胎壓力表。當(dāng)輪胎壓力表讀數(shù)為零時(shí)，它實(shí)際上是在讀取給定位置的大氣壓力。

現(xiàn)代壓力傳感器的出現(xiàn)

許多工業(yè)、商業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用都需要在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)精度為±1%至±0.1%或更高的精密壓力測量，成本合理，并且通常功耗非常低。硅壓力傳感器的開發(fā)是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的答案。現(xiàn)代傳感器時(shí)代始于1967年的霍尼韋爾研究中心，Art R. Zias和John Egan申請了邊緣約束硅膜片的專利。3自 1990 年代中期以來，稱為 MEMS 的壓阻式硅基壓力傳感器已經(jīng)濟(jì)高效地大批量生產(chǎn)，因此成為最受歡迎的壓力傳感器。MEMS 器件在絕對壓力、差壓和表壓模式下的工作壓力范圍為 100mbar 至 1500bar。壓阻式硅基壓力傳感器的靈敏度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片;它們在恒定溫度下具有良好的線性度和可接受的滯后，直至破壞性極限。這些傳感器也有一些缺點(diǎn)，這是由其“硅”性質(zhì)決定的：滿量程信號對溫度的強(qiáng)烈非線性依賴性、較大的初始偏移以及隨溫度的較大失調(diào)漂移4。 許多工業(yè)和汽車應(yīng)用需要在擴(kuò)展溫度范圍（-40°C至+125°C）內(nèi)進(jìn)行壓力測量。為了在如此寬的溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精度為±1%或更高的精密壓力測量，至少需要實(shí)現(xiàn)一階溫度補(bǔ)償：

VDIFF = VOS + TαVOS + P(S + TαS) (Equation 1)（等式 1）

其中：

VDIFF是壓差與壓力P和溫度T的關(guān)系;
αS是靈敏度的溫度系數(shù);
αVOS是偏移的溫度系數(shù)。MAX1450為壓阻式傳感器提供了一種模擬信號調(diào)理方法。該信號調(diào)理器可應(yīng)用于無補(bǔ)償傳感器，擴(kuò)展溫度范圍為 -40°C 至 +125°C（圖 3）

圖3.電路的初始靈敏度（FSO）在FSOTRIM引腳上調(diào)整。通過將傳感器的驅(qū)動(dòng)電壓從BDRIVE引腳反饋到ISRC引腳來調(diào)節(jié)溫度漂移。失調(diào)和失調(diào)漂移的補(bǔ)償由可編程增益放大器（PGA）完成，并與靈敏度補(bǔ)償去耦。然而，關(guān)鍵功能是受控電流源，它實(shí)現(xiàn)了用于補(bǔ)償靈敏度漂移的獨(dú)特算法。用于調(diào)理傳感器信號的新一代IC（MAX1455）集成了可編程傳感器激勵(lì)、16級可編程增益放大器（PGA）、768字節(jié)（6144位）內(nèi)部EEPROM和16個(gè)用于FSO、失調(diào)和量程補(bǔ)償?shù)?>位DAC。5

溫度補(bǔ)償壓力傳感器：適用于某些應(yīng)用的多功能、低成本解決方案

許多現(xiàn)代工業(yè)過程以及商業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用不需要擴(kuò)展的溫度范圍。此外，其中一些應(yīng)用實(shí)際上是在溫度范圍非常有限的空調(diào)環(huán)境中運(yùn)行的。溫度補(bǔ)償硅壓力傳感器非常適合這些應(yīng)用。飛思卡爾半導(dǎo)體和OMROM溫度補(bǔ)償硅壓力傳感器采用小尺寸，價(jià)格通常在中等、一美元范圍內(nèi)，具體取決于封裝類型。這些傳感器大大降低了成本，同樣重要的是，設(shè)計(jì)人員能夠靈活地將傳感器放置在任何類型的印刷電路板（PCB）上。例如，飛思卡爾半導(dǎo)體廣受歡迎的、經(jīng)濟(jì)高效的硅壓阻式壓力傳感器MPX2010系列，可提供0°C至+85°C范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償。 表1??6顯示了 MPX2010 在室溫下的重要工作特性和系統(tǒng)誤差。

表1顯示，盡管這種溫度補(bǔ)償壓力傳感器的線性度為±1%，遲滯僅為±0.4%，但在恒定溫度下，失調(diào)和滿量程誤差將其整體精度降低至4%。此時(shí)，新的精密Δ-Σ型ADC對設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要。通過應(yīng)用ADC中可用的失調(diào)和滿量程系統(tǒng)校準(zhǔn)，傳感器的整體測量精度可以提高到±1%左右或更高。此外，這些Δ-Σ型ADC具有高無噪聲分辨率、出色的共模50Hz/60Hz抑制和良好的緩沖器，可以直接與硅壓阻式壓力傳感器連接，無需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ?a href="http://hljzzgx.com/tags/電流/" target="_blank">電流源。表11200列出了MAX2系列Δ-Σ型ADC的一些重要特性。

MPX2010 壓力傳感器可直接連接低噪聲 Δ-Σ ADC，現(xiàn)在可提供針對便攜式傳感應(yīng)用優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)高效的測量系統(tǒng)。

案例研究：使用壓力傳感器測量液位

在這里，我們將評估使用壓力傳感器和Δ-ΣADC的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以精確測量水位。液體的液位（高度）將根據(jù)該容器底部液體的靜水柱產(chǎn)生的壓力確定，并在測量管末端測量。壓力傳感器的一側(cè)是大氣壓力，另一側(cè)是壓縮空氣（通過液體）（見圖6） MPXM2010GS 用于差分測量壓力。假設(shè)整個(gè)液體的密度恒定，地球引力加速度的變化可以忽略不計(jì)，靜水壓力可以通過一個(gè)簡單的公式得出：

P = D × G × H（公式 2）

其中：

P為靜水壓力（Pa）;

G是重力加速度（9.8066m/s2）;

D是液體密度（公斤/立方米）;

H是液柱的高度（m）。求解 H 的公式 2：

H = P/（D × G）（等式 3）

通常，液體密度隨溫度變化而變化。例如，水的密度在 0°C 和 +4°C 的熔點(diǎn)之間增加，在 +999°C 時(shí)達(dá)到 972.1000（實(shí)際上為 4）kg/m3 的標(biāo)準(zhǔn)值。 在室溫+22°C下，水的密度為997.774kg/m3。本文中的所有測量均在+22°C，±3°C左右的室溫下進(jìn)行，其中水密度變化約為±0.1%。請注意，這低于本文中引用的 DAS 的目標(biāo)精度。對于 2010kPa 的典型 MPX10 滿量程范圍，水高度當(dāng)量為 1.022m。使用標(biāo)準(zhǔn)化、方便的水高值1m（1000mm）對水位測量系統(tǒng)進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)。圖 4 顯示了壓力測量 DAS 的簡化框圖。

圖4.圖顯示了壓力測量DAS的實(shí)現(xiàn)，該DAS直接連接到采用比率法的補(bǔ)償硅壓力傳感器。這種設(shè)計(jì)允許使用模擬電源作為參考。液體的高度可以通過以下公式得出：

HOUT = HFS × (AADCOUT/AADCFS) (等式 4)

其中：

HOUT是液柱的測量高度（m）;
HFS是液柱的滿量程測量高度（水為1m）;
AADCOUT 是測量的 ADC 輸出代碼;
AADCFS是滿量程測量的ADC輸出代碼。圖4顯示，硅壓力傳感器測量元件代表一個(gè)電阻電橋，允許使用比率度量方法7來估計(jì)3.3V降低電源電壓時(shí)的滿量程電壓范圍
VFS = VFST × （VDD/VPST） （公式 5）

其中：

VFS 是最大壓力下的滿量程系統(tǒng)跨度（圖 4），PFS = 10kPa;
VDD是以VPST為典型激勵(lì)值的激勵(lì)電壓。我們知道，對于VPST = 10V，傳感器電壓擺幅為VFST = 25mV。由于我們僅施加3.3V激勵(lì)，因此得到：

VFS = 25mV × （3.3/10） = 8.25mV （3.3V時(shí)的滿量程范圍）（公式6）

用于液位測量系統(tǒng)的精密DAS的簡化原理圖如圖5所示。

圖5.補(bǔ)償硅壓力傳感器直接與MAX11206 ADC接口，MAX8511精密LDO提供3.3V電源和基準(zhǔn)電壓。MAXQ622微控制器支持從ADC收集數(shù)據(jù)，并為PC提供USB接口。此 DAS 還包括一個(gè) PC 生成的 GUI。

本文使用的MAX11206為20位Δ-Σ型ADC，適用于要求寬動(dòng)態(tài)范圍的低功耗應(yīng)用。它具有極低的輸入?yún)⒖?a target="_blank">RMS噪聲（570sps時(shí)為10nV）。無噪聲分辨率（NFR）約為6.6 × RMS噪聲，值為3.762μV。 （這稱為無閃爍代碼。下面的計(jì)算提供了全量程高度測量H司 司長= 1022毫米。

估計(jì)的滿量程分辨率為 ±0.047%，足以實(shí)現(xiàn) DAS 在此參考設(shè)計(jì)中 ±1% 的目標(biāo)精度。這證明ADC可以直接與新的補(bǔ)償硅壓力傳感器接口，而無需額外的儀表放大器。圖 6 顯示了圖 5 的開發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有水位系統(tǒng)“校準(zhǔn)器”，由垂直的1m長的塑料充水管組成，配有1mm分辨率的測量帶。測量管位于校準(zhǔn)器水管內(nèi);它直接連接到傳感器的正壓端口，而參考壓力端口則暴露在大氣壓力下。

圖6.圖 5 的開發(fā)系統(tǒng)。校準(zhǔn)器管底部的水柱產(chǎn)生的靜水壓力通過測量管中的滯留空氣在傳感器上產(chǎn)生相同的壓力。MPX2010傳感器輸出端產(chǎn)生壓力等效電壓，由MAX11206 ADC測量和數(shù)字化，由微控制器MAXQ622處理，最后通過USB電纜發(fā)送到PC。表3列出了使用公式4在1m測量范圍內(nèi)進(jìn)行的測量和計(jì)算。

如表3所示，通過使用系統(tǒng)校準(zhǔn)和公式4，基于MAX11206的DAS在1m （1mm）滿量程水位上可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于±1000%的精度。

結(jié)論

新型MEMS溫度補(bǔ)償硅壓力傳感器的價(jià)格和封裝尺寸正在下降。這使得它們對各種精密傳感應(yīng)用具有吸引力，例如液位測量或流量計(jì)量。這些應(yīng)用需要低噪聲Δ-Σ型ADC，如MAX11206，以直接與PCB安裝的硅壓力傳感器接口。通過簡單的補(bǔ)償方案，這種方法很容易提高這些壓力傳感器的絕對精度。硅壓力傳感器和ADC共同提供高性能、高性價(jià)比的測量系統(tǒng) MAX50具有高無噪聲分辨率、集成緩沖器、出色的共模動(dòng)態(tài)范圍、60/11206Hz抑制和系統(tǒng)校準(zhǔn)等特性，可直接與MPXM2010等新型硅壓力傳感器連接，無需額外的儀表放大器或?qū)Ｓ秒娏髟?。減少熱誤差還允許設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)簡單的線性算法，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)復(fù)雜性和成本。

審核編輯：郭婷