【導(dǎo)讀】NSPGD1是蘇州納芯微電子針對家電市場推出的一款校準(zhǔn)過的表壓傳感器。產(chǎn)品采用高性能信號調(diào)理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進(jìn)行溫度和壓力的校準(zhǔn)和補(bǔ)償，保證性能和可靠性的同時對封裝進(jìn)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域，同時也適用于工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。該系列支持模擬輸出/數(shù)字輸出（IIC）以及特有的頻率輸出功能，應(yīng)用更加靈活。
一、系統(tǒng)簡介：
NSPGD1是蘇州納芯微電子針對家電市場推出的一款校準(zhǔn)過的表壓傳感器。產(chǎn)品采用高性能信號調(diào)理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進(jìn)行溫度和壓力的校準(zhǔn)和補(bǔ)償，保證性能和可靠性的同時對封裝進(jìn)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域，同時也適用于工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。該系列支持模擬輸出/數(shù)字輸出（IIC）以及特有的頻率輸出功能，應(yīng)用更加靈活。
典型應(yīng)用領(lǐng)域：洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、咖啡機(jī)、凈水器等家電上用于液位高度精確測量。
產(chǎn)品特性：
1. 可定制量程2kPa~10kPa，精度高
2. 模擬電壓/IIC數(shù)字輸出/頻率輸出可選
3. 高穩(wěn)定性，100%校準(zhǔn)，溫度補(bǔ)償
4. 帶氣嘴DIP8封裝，安裝牢靠，易密封
5. 芯片正面進(jìn)壓方式進(jìn)氣，不易堵塞
6. 芯片封裝內(nèi)部防水防潮處理
二、NSPGD1功能簡介
該產(chǎn)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(huán)境壓力呈正比例關(guān)系的一個原始信號輸出。內(nèi)置的調(diào)理芯片驅(qū)動該敏感元件，并對其原始信號進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償、線性度補(bǔ)償后輸出一個與施加壓力呈線性關(guān)系的電壓信號。該系列支持模擬輸出/數(shù)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(shù)為：
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
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(shù)為：
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(shù)字（IIC）輸出形式
該系列數(shù)字（IIC）輸出型芯片，針對0kPa ~ 6kPa量程范圍，其典型傳遞函數(shù)為：
其中：Pdata為IIC采集的值；
數(shù)字（IIC）輸出數(shù)據(jù)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(xù)讀取0x06、0x07、0x08寄存器值，假設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計方案是基于IIC數(shù)字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器。如果想基于NSPGD1實(shí)現(xiàn)模擬量或頻率輸出模式，可以聯(lián)系蘇州納芯微電子股份有限公司。
三、IIC應(yīng)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(shù)據(jù)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。
圖3.1 NSPGD1 IIC輸出型應(yīng)用電路圖
四、參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)
圖4.1 NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)
NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，NSPGD1傳感器通過氣管連接至水箱底部，水箱內(nèi)水位升高或降低的高度，將等比例對應(yīng)液體壓強(qiáng)變化，通過NSPGD1高精度傳感器，可以實(shí)時得到水箱內(nèi)液體高度，進(jìn)而根據(jù)不同家電的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)給或輸送水量。
五、傳感器數(shù)據(jù)處理
本文中液位檢測設(shè)計方案是基于IIC數(shù)字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器，傳感器測量數(shù)據(jù)與液位高度對應(yīng)計算方法如下：
方法一：壓力對應(yīng)高度換算：
其中：P_f為液體在液桶底面產(chǎn)生的壓強(qiáng)；ρ為液體密度，假設(shè)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：
傳感器量程0kPa ~ 6kPa，則對應(yīng)可測量液體高度h范圍為：0~0.612.24m；考慮到實(shí)際氣管安裝在液桶底部，蓄水后，有一部分水會進(jìn)入氣管內(nèi)，該部水在氣管內(nèi)形成一部分壓力，導(dǎo)致零點(diǎn)整體漂移，因此實(shí)際使用時需要對0點(diǎn)壓力進(jìn)行補(bǔ)償，具體offset值由于氣管內(nèi)徑及安裝位置的不同，需實(shí)際測試得到：
方法二：直接標(biāo)定換算：
通過直接測量標(biāo)定容器液位高度h與傳感器Pdata關(guān)系，得到實(shí)際高度h與Pdata傳遞函數(shù)，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(shí)際應(yīng)用及水流量計對比測試
表5.1 NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計對比測試
從表5.1設(shè)置水位高度為50mm、200mm、400mm、300mm的4個測試點(diǎn)，通過測試得到以下測試結(jié)果：
表5.2 NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計對比測試結(jié)果
由表5.2可以看出，NSPGD1的測量結(jié)果要比水流量計計算得到的結(jié)果精度高，四個測試點(diǎn)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(shí)時的測量，NSPGD1的測量結(jié)果誤差不會累積，數(shù)據(jù)比較均衡，液位高度誤差為1~2mm；流量計在運(yùn)行時間長后由于脈沖累積誤差導(dǎo)致誤差變大測量誤差最大2.68%，絕對誤差達(dá)到10mm。
NSPGD1單個傳感器測量精度0.5%，但由于整個DEMO系統(tǒng)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(tǒng)誤差，因此實(shí)際應(yīng)用中液位高度誤差可通過合理布置安裝及算法補(bǔ)償?shù)玫娇刂啤?/p>
七、NSPGD1優(yōu)勢
1、NSPGD1采用高性能信號調(diào)理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進(jìn)行溫度和壓力的校準(zhǔn)和補(bǔ)償，保證性能和可靠性的同時對封裝進(jìn)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(guān)系，可實(shí)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(tǒng)機(jī)械式液位傳感器，并且在直徑確定的系統(tǒng)中可以替代轉(zhuǎn)子流量計測量流量與體積；
3、外圍接口電路簡單，多種數(shù)據(jù)輸出形式可選，方便應(yīng)用；
八、總結(jié)
本液位檢測方案基于NSPGD1，外圍器件少、精度高、可實(shí)時監(jiān)測、可對液體無接觸測量，且測量結(jié)果無累積誤差。NSPGD1可根據(jù)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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