液位测量系统使用补偿硅压力传感器和Δ-Σ ADC-第1部分

该参考设计是液位测量和控制系列中的首个。在第1部分中，描述了现代压力传感器之间的差异，并强调了微机电（MEMS）温度补偿硅压力传感器的最新进展的好处。这些传感器现在价格合理，采用多种封装，对各种精密传感应用（包括液位测量）具有吸引力。然后，该文档介绍了一种使用补偿硅压力传感器和高精度Δ-Σ型ADC的经济高效的低功耗液位测量数据采集系统（DAS）。本文将解释如何选择补偿硅压力传感器。它将建议系统算法，分析噪声，并提供校准思路，以提高系统性能，同时降低复杂性和成本。

测量压力——回顾

可以说，现代压力测量是由意大利物理学家Evangelista Torricelli1通过他在1643年发明的水银气压计开始的。托里切利用水银填充一米长的玻璃管，在一端密封管子，并将其与开口端垂直放置在装满水银的容器中。水银柱下降到约760毫米，在其水平上方留下了空白空间。压力单元Torr是为了纪念这位发明者而命名的，其比率为1比760标准大气压。血压2在世界大部分地区以Torr（毫米汞柱）为单位。当代压力单位包括由国际系统（SI）定义为主要压力单位的Pa（Pa = N / m²）。在美国，一种流行的压力测量单位是测量磅/平方英寸 （PSI） 的“条”。由于历史和技术原因，在各种压力单位之间转换为标准单位测量是一项相当繁琐的任务。尽管如此，广泛使用的免费换算表或免费的在线单位转换器可以使工程师更轻松地完成任务。压力传感器按测量类型分为两大类：

绝对压力传感器，测量相对于完美真空压力的压力。绝对压力传感器的一个例子是图1所示的水银（Hg）气压计。

差压传感器，用于测量作为传感单元输入的两个或多个压力之间的差异。这种传感器的一个应用示例是差压流量计（图2），其中流体速度的变化会产生压力变化并产生压差，ΔP = P1 - P2

图2.对于这种类型的流量计，体积流量Q通过一个简单的公式与ΔP相关，该公式测量流量，从而确定消耗量

表压传感器是另一种类型的差分传感器，用于测量与大气压力的相对压力。这种传感器的一个例子是流行的轮胎压力表。当轮胎压力表读数为零时，它实际上是在读取给定位置的大气压力。

现代压力传感器的出现

许多工业、商业和医疗应用都需要在宽动态范围内精度为±1%至±0.1%或更高的精密压力测量，成本合理，并且通常功耗非常低。硅压力传感器的开发是应对这些挑战的答案。现代传感器时代始于1967年的霍尼韦尔研究中心，Art R. Zias和John Egan申请了边缘约束硅膜片的专利。3自 1990 年代中期以来，称为 MEMS 的压阻式硅基压力传感器已经济高效地大批量生产，因此成为最受欢迎的压力传感器。MEMS 器件在绝对压力、差压和表压模式下的工作压力范围为 100mbar 至 1500bar。压阻式硅基压力传感器的灵敏度明显高于标准应变片;它们在恒定温度下具有良好的线性度和可接受的滞后，直至破坏性极限。这些传感器也有一些缺点，这是由其“硅”性质决定的：满量程信号对温度的强烈非线性依赖性、较大的初始偏移以及随温度的较大失调漂移4。 许多工业和汽车应用需要在扩展温度范围（-40°C至+125°C）内进行压力测量。为了在如此宽的温度范围内实现精度为±1%或更高的精密压力测量，至少需要实现一阶温度补偿：

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

其中：

VDIFF是压差与压力P和温度T的关系;
αS是灵敏度的温度系数;
αVOS是偏移的温度系数。MAX1450为压阻式传感器提供了一种模拟信号调理方法。该信号调理器可应用于无补偿传感器，扩展温度范围为 -40°C 至 +125°C（图 3）

图3.电路的初始灵敏度（FSO）在FSOTRIM引脚上调整。通过将传感器的驱动电压从BDRIVE引脚反馈到ISRC引脚来调节温度漂移。失调和失调漂移的补偿由可编程增益放大器（PGA）完成，并与灵敏度补偿去耦。然而，关键功能是受控电流源，它实现了用于补偿灵敏度漂移的独特算法。用于调理传感器信号的新一代IC（MAX1455）集成了可编程传感器激励、16级可编程增益放大器（PGA）、768字节（6144位）内部EEPROM和16个用于FSO、失调和量程补偿的<>位DAC。5

温度补偿压力传感器：适用于某些应用的多功能、低成本解决方案

许多现代工业过程以及商业和医疗应用不需要扩展的温度范围。此外，其中一些应用实际上是在温度范围非常有限的空调环境中运行的。温度补偿硅压力传感器非常适合这些应用。飞思卡尔半导体和OMROM温度补偿硅压力传感器采用小尺寸，价格通常在中等、一美元范围内，具体取决于封装类型。这些传感器大大降低了成本，同样重要的是，设计人员能够灵活地将传感器放置在任何类型的印刷电路板（PCB）上。例如，飞思卡尔半导体广受欢迎的、经济高效的硅压阻式压力传感器MPX2010系列，可提供0°C至+85°C范围内的温度补偿。 表1®®6显示了 MPX2010 在室温下的重要工作特性和系统误差。

 

特征	单位	价值	错误 （%FS）	笔记
压力范围，爆裂	千帕	0 到 10	--	--
典型电源电压：V.PPT	在	10	--	--
电源电流，I铂	但	6	--	--
满量程跨度，VFST	毫伏	25 ±1	±4	可通过满量程校准进行补偿
满量程量程上的温度系数	%满量程	±1	±4	--
抵消	毫伏	±1	±4	可通过失调校准进行补偿
失调温度系数	毫伏	±1	±4	--
线性	%满量程	±1	±1	--
压力滞后	--	--	--	--
（0 至 10kPa）	--	±0.1	±0.4	--

 

表1显示，尽管这种温度补偿压力传感器的线性度为±1%，迟滞仅为±0.4%，但在恒定温度下，失调和满量程误差将其整体精度降低至4%。此时，新的精密Δ-Σ型ADC对设计变得至关重要。通过应用ADC中可用的失调和满量程系统校准，传感器的整体测量精度可以提高到±1%左右或更高。此外，这些Δ-Σ型ADC具有高无噪声分辨率、出色的共模50Hz/60Hz抑制和良好的缓冲器，可以直接与硅压阻式压力传感器连接，无需额外的仪表放大器或专用电流源。表11200列出了MAX2系列Δ-Σ型ADC的一些重要特性。

 

MAX11200	MAX11200	评论
采样率	10 到 120	MAX11200的可变过采样率可以针对低噪声和150Hz或50Hz时的-60dB线路噪声抑制进行优化。
渠道	±1	提供非常好的测量线性度
失调误差（μV）	±1	提供几乎为零的偏移测量
无噪声分辨率（位）	19.0 在 120sps 时;19.5 在 60SPS 时;21.0 在 10SPS 时	非常高的动态范围和低功耗。
在DD（五）	之DD（2.7 至 3.6） DVDD（1.7 至 3.6）	之DD和DVDD范围涵盖业界流行的电源范围。
渠道	1	GPIO 允许外部多路复用器控制多通道测量。
我抄送（最大值，μA）	300	业界最高的单位功率分辨率;便携式应用的理想选择
通用信息总组织	-	允许外部设备控制，包括本地多路复用器控制
输入范围	0 至 V裁判， ±V裁判	宽输入范围
包	16-电池 QSOP， 10-电池 μMAX （15mm²）®	10引脚μMAX封装为空间受限的设计提供了非常小的尺寸。

 

MPX2010 压力传感器可直接连接低噪声 Δ-Σ ADC，现在可提供针对便携式传感应用优化的经济高效的测量系统。

案例研究：使用压力传感器测量液位

在这里，我们将评估使用压力传感器和Δ-ΣADC的系统设计，以精确测量水位。液体的液位（高度）将根据该容器底部液体的静水柱产生的压力确定，并在测量管末端测量。压力传感器的一侧是大气压力，另一侧是压缩空气（通过液体）（见图6） MPXM2010GS 用于差分测量压力。假设整个液体的密度恒定，地球引力加速度的变化可以忽略不计，静水压力可以通过一个简单的公式得出：

P = D × G × H（公式 2）

其中：

P为静水压力（Pa）;

G是重力加速度（9.8066m/s²）;

D是液体密度（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，液体密度随温度变化而变化。例如，水的密度在 0°C 和 +4°C 的熔点之间增加，在 +999°C 时达到 972.1000（实际上为 4）kg/m³ 的标准值。 在室温+22°C下，水的密度为997.774kg/m³。本文中的所有测量均在+22°C，±3°C左右的室温下进行，其中水密度变化约为±0.1%。请注意，这低于本文中引用的 DAS 的目标精度。对于 2010kPa 的典型 MPX10 满量程范围，水高度当量为 1.022m。使用标准化、方便的水高值1m（1000mm）对水位测量系统进行满量程校准。图 4 显示了压力测量 DAS 的简化框图。

图4.图显示了压力测量DAS的实现，该DAS直接连接到采用比率法的补偿硅压力传感器。这种设计允许使用模拟电源作为参考。液体的高度可以通过以下公式得出：

HOUT = HFS × (AADCOUT/AADCFS) (等式 4)

其中：

HOUT是液柱的测量高度（m）;
HFS是液柱的满量程测量高度（水为1m）;
AADCOUT 是测量的 ADC 输出代码;
AADCFS是满量程测量的ADC输出代码。图4显示，硅压力传感器测量元件代表一个电阻电桥，允许使用比率度量方法7来估计3.3V降低电源电压时的满量程电压范围
VFS = VFST × （VDD/VPST） （公式 5）

其中：

VFS 是最大压力下的满量程系统跨度（图 4），PFS = 10kPa;
VDD是以VPST为典型激励值的激励电压。我们知道，对于VPST = 10V，传感器电压摆幅为VFST = 25mV。由于我们仅施加3.3V激励，因此得到：

VFS = 25mV × （3.3/10） = 8.25mV （3.3V时的满量程范围）（公式6）

用于液位测量系统的精密DAS的简化原理图如图5所示。

图5.补偿硅压力传感器直接与MAX11206 ADC接口，MAX8511精密LDO提供3.3V电源和基准电压。MAXQ622微控制器支持从ADC收集数据，并为PC提供USB接口。此 DAS 还包括一个 PC 生成的 GUI。

本文使用的MAX11206为20位Δ-Σ型ADC，适用于要求宽动态范围的低功耗应用。它具有极低的输入参考RMS噪声（570sps时为10nV）。无噪声分辨率（NFR）约为6.6 × RMS噪声，值为3.762μV。 （这称为无闪烁代码。下面的计算提供了全量程高度测量H司 司长= 1022毫米。

估计的满量程分辨率为 ±0.047%，足以实现 DAS 在此参考设计中 ±1% 的目标精度。这证明ADC可以直接与新的补偿硅压力传感器接口，而无需额外的仪表放大器。图 6 显示了图 5 的开发系统。该系统具有水位系统“校准器”，由垂直的1m长的塑料充水管组成，配有1mm分辨率的测量带。测量管位于校准器水管内;它直接连接到传感器的正压端口，而参考压力端口则暴露在大气压力下。

图6.图 5 的开发系统。校准器管底部的水柱产生的静水压力通过测量管中的滞留空气在传感器上产生相同的压力。MPX2010传感器输出端产生压力等效电压，由MAX11206 ADC测量和数字化，由微控制器MAXQ622处理，最后通过USB电缆发送到PC。表3列出了使用公式4在1m测量范围内进行的测量和计算。

 

校准器水位（高，毫米）	MAX11206输出代码（LSB）	根据公式 4 （mm） 测量的水位	绝对误差（毫米）	满量程误差 （%）
0	0	0	0	0
100	114	98.5	1.5	0.1
200	225	194.5	5.5	0.6
300	343	296.5	3.5	0.4
400	459	396.7	3.3	0.3
500	576	497.8	2.2	0.2
600	693	599.0	1.0	0.1
700	809	699.2	0.8	0.1
800	924	798.6	1.4	0.1
900	1042	900.6	-0.6	-0.1
1000	1157	1000.0	0.0	0.0

 

如表3所示，通过使用系统校准和公式4，基于MAX11206的DAS在1m （1mm）满量程水位上可实现优于±1000%的精度。

结论

新型MEMS温度补偿硅压力传感器的价格和封装尺寸正在下降。这使得它们对各种精密传感应用具有吸引力，例如液位测量或流量计量。这些应用需要低噪声Δ-Σ型ADC，如MAX11206，以直接与PCB安装的硅压力传感器接口。通过简单的补偿方案，这种方法很容易提高这些压力传感器的绝对精度。硅压力传感器和ADC共同提供高性能、高性价比的测量系统 MAX50具有高无噪声分辨率、集成缓冲器、出色的共模动态范围、60/11206Hz抑制和系统校准等特性，可直接与MPXM2010等新型硅压力传感器连接，无需额外的仪表放大器或专用电流源。减少热误差还允许设计人员实现简单的线性算法，从而进一步降低系统复杂性和成本。

审核编辑：郭婷