基于NSPGD1压力传感器的液位检测设计方案

2020/04/22

一、系统简介：

NSPGD1是苏州纳芯微电子针对家电市场推出的一款校准过的表压传感器。产品采用高性能信号调理芯片对MEMS压阻芯体输出进行温度和压力的校准和补偿，保证性能和可靠性的同时对封装进行了集成，易于使用。NSPGD1系列集成压力传感器可选量程2-10kPa，带气嘴的DIP8封装形式方便客户焊接和使用，适合于压力敏感元件结构材料相兼容的非腐蚀性气体的差压检测，特别适用于非接触式液位检测等领域，同时也适用于工业及物联网等领域。该系列支持模拟输出/数字输出（IIC）以及特有的频率输出功能，应用更加灵活。

典型应用领域：洗衣机、洗碗机、咖啡机、净水器等家电上用于液位高度精确测量。

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产品特性：

1. 可定制量程2kPa~10kPa，精度高

2. 模拟电压/IIC数字输出/频率输出可选

3. 高稳定性，100%校准，温度补偿

4. 带气嘴DIP8封装，安装牢靠，易密封

5. 芯片正面进压方式进气，不易堵塞

6. 芯片封装内部防水防潮处理

二、NSPGD1功能简介

该产品通过MEMS压阻表压压力芯体作为压力敏感元件，该元件会输出一个与环境压力呈正比例关系的一个原始信号输出。内置的调理芯片驱动该敏感元件，并对其原始信号进行放大、温度补偿、线性度补偿后输出一个与施加压力呈线性关系的电压信号。该系列支持模拟输出/数字输出（IIC）以及特有的频率输出功能。

2.1 NSPGD1模拟输出形式

以比例输出模式为例（输出电压值为电源电压的百分比），该系列模拟输出型芯片，针对0kPa ~ 6kPa量程范围，Pmax为6kPa 输出90%VDD，Pmin为0kPa输出10%VDD，典型的传递函数为：

其中：

Vout是输出电压，单位V；

VDD是输入电压，单位V；

Ptest是待测压力，单位kPa;

表2.1 典型压力值与输出电压对照表

	输出电压VOUT
待测压力Ptest	@VDD=3.3V	@VDD=5V
0kPa	0.330V	0.500V
1kPa	0.770V	1.167V
2kPa	1.210V	1.833V
3kPa	1.650V	2.500V
4kPa	2.090V	3.167V
5kPa	2.530V	3.833V
6kPa	2.970V	4.500V

图2.1 典型输入输出图

2.2 NSPGD1频率输出形式

该系列频率输出型芯片，针对0kPa ~ 6kPa量程范围，Pmax为6kPa输出90%FS，Pmin为0kPa输出10%FS，典型的传递函数为：

其中： FREQ是输出频率，单位KHz；

FS是频率输出满量程值，单位KHz；

芯片可配置最大频率至250KHz；

Ptest是待测压力，单位kPa；

2.3 NSPGD1 数字（IIC）输出形式

该系列数字（IIC）输出型芯片，针对0kPa ~ 6kPa量程范围，其典型传递函数为：

其中：Pdata为IIC采集的值；

数字（IIC）输出数据具体处理步骤如下：

给芯片上电；

1. IIC将0x30寄存器写为0x0A；

2. 等待3ms；

3. IIC连续读取0x06、0x07、0x08寄存器值，假设读出来的寄存器值分别为data1、data2、data3；

按照如下步骤将0x06(data1)、0x07(data2)、0x08(data3)的寄存器值转换为Pdata

1. D1=data1*65536+data2*256+data3；

2. 若D1>8388607，则Pdata=D1-16777215；

3. 若D1≤8388607，则Pdata=D1；

举例说明：

若0x06、0x07、0x08寄存器的值分别为0x15、0x55、0x56，按照上述步骤，D1=1398102，该D1值小于8388607，则Pdata=1398102，P(Pa)= 500，最终得到压力值为500Pa；

本文中液位检测设计方案是基于IIC数字输出形式的NSPGD1压力传感器。如果想基于NSPGD1实现模拟量或频率输出模式，可以联系苏州纳芯微电子股份有限公司。

三、IIC应用电路

本文采用IIC串行总线通信形式，IIC总线一般有两根信号线，一根是双向的数据线SDA，另一根是时钟线SCL，均通过4.7K上拉电阻上拉到VDD，GND与VDD有0.1uF滤波电容。具体电路框图，如图3.1。

图3.1 NSPGD1 IIC输出型应用电路图

四、参考应用结构

图4.1 NSPGD1参考应用结构

NSPGD1参考应用结构如图4.1所示，NSPGD1传感器通过气管连接至水箱底部，水箱内水位升高或降低的高度，将等比例对应液体压强变化，通过NSPGD1高精度传感器，可以实时得到水箱内液体高度，进而根据不同家电的控制逻辑，实现自动补给或输送水量。

五、传感器数据处理

本文中液位检测设计方案是基于IIC数字输出形式的NSPGD1压力传感器，传感器测量数据与液位高度对应计算方法如下：

方法一：压力对应高度换算：

其中：P_f为液体在液桶底面产生的压强；ρ为液体密度，假设液桶中为水，则水的密度ρ为1.0*10^3kg/m^3；g为重力加速度9.8m/s；h为液体高度，则液体高度h可由下式得到：

传感器量程0kPa ~ 6kPa，则对应可测量液体高度h范围为：0~0.612.24m；考虑到实际气管安装在液桶底部，蓄水后，有一部分水会进入气管内，该部水在气管内形成一部分压力，导致零点整体漂移，因此实际使用时需要对0点压力进行补偿，具体offset值由于气管内径及安装位置的不同，需实际测试得到：

方法二：直接标定换算：

通过直接测量标定容器液位高度h与传感器Pdata关系，得到实际高度h与Pdata传递函数，通过Pdata计算得到液位高度，从而免去中间压力换算引入的误差。

六、NSPGD1实际应用及水流量计对比测试

表5.1 NSPGD1实际应用及水流量计对比测试

1		水桶清空、水流量计清0、分别设置水位50mm、200mm、400mm、300mm 并点击运行；
2		水面上升至51mm 压力换算水位50mm 流量计水位52mm
3		水面上升至202mm 压力换算水位200mm 流量计水位205mm
4		水面上升至400mm 压力换算水位401mm 流量计水位410mm
5		水面下降至298mm 压力换算水位299mm 流量计水位308mm

从表5.1设置水位高度为50mm、200mm、400mm、300mm的4个测试点，通过测试得到以下测试结果：

表5.2 NSPGD1实际应用及水流量计对比测试结果

设置水位高度/mm	实际水位高度/mm	NSPGD1	水流量计
测量水位/mm	误差	测量水位/mm	误差
绝对误差/mm	测量误差%	绝对误差/mm	测量误差%
50	51	50	1	-1.96	52	1	1.96
200	202	200	2	-0.99	205	3	1.48
400	400	401	1	0.25	410	10	2.50
300	298	299	1	0.33	308	8	2.68

由表5.2可以看出，NSPGD1的测量结果要比水流量计计算得到的结果精度高，四个测试点中：

50mm处测量误差最大为-1.96%（绝对误差1mm），但此时水位较低，误差所占此时水位高度比重大；在全量程中，基于对液体压力实时的测量，NSPGD1的测量结果误差不会累积，数据比较均衡，液位高度误差为1~2mm；流量计在运行时间长后由于脉冲累积误差导致误差变大测量误差最大2.68%，绝对误差达到10mm。

NSPGD1单个传感器测量精度0.5%，但由于整个DEMO系统误差包含亚克力液桶刻度不均匀、气管连接不可靠、人眼观察、液体流动引起振动等因素而引入的系统误差，因此实际应用中液位高度误差可通过合理布置安装及算法补偿得到控制。

七、NSPGD1优势

1、NSPGD1采用高性能信号调理芯片对MEMS压阻芯体输出进行温度和压力的校准和补偿，保证性能和可靠性的同时对封装进行了集成，易于使用；

2、NSPGD1输出压力值为与液位高度值为线性关系，可实时检测输出，且无累积误差，可对滴、漏及水流损失精确测量，可直接替代传统机械式液位传感器，并且在直径确定的系统中可以替代转子流量计测量流量与体积；

3、外围接口电路简单，多种数据输出形式可选，方便应用；

八、总结

本液位检测方案基于NSPGD1，外围器件少、精度高、可实时监测、可对液体无接触测量，且测量结果无累积误差。NSPGD1可根据不同客户需求定制不同量程范围传感器，满足不同家电液位高度测量需求。