【導(dǎo)讀】液位檢測是許多家用電器功能的重要組成部分，例如洗衣機(jī)、洗碗機(jī)都需要通過控制液位來實(shí)現(xiàn)多水位的洗滌方式，以達(dá)到節(jié)水目的；熱水器需要在液位過低時(shí)自動(dòng)補(bǔ)水，防止干燒；咖啡機(jī)、啤酒機(jī)也需要檢測液位來控制流量和出水量。因此，精準(zhǔn)的液位檢測是幫助實(shí)現(xiàn)家用電器相關(guān)功能的重要前提和保證。納芯微電子推出的NSPGD1是一款經(jīng)過校準(zhǔn)的表壓液位傳感器，可滿足家用電器液位高度精確測量需求，使家用電器更加智能。
NSPGD1直擊應(yīng)用痛點(diǎn)
傳統(tǒng)的液位測量采用機(jī)械測量與光電測量等方式，通常只能簡單測量液體有無或粗略測量液位的高低，無法實(shí)現(xiàn)高精度的穩(wěn)定測量。而集成式MEMS壓力傳感器內(nèi)置信號(hào)調(diào)理芯片，集溫度補(bǔ)償和線性補(bǔ)償于一體，可以很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)液位測量精度不高的缺陷。
NSPGD1是納芯微針對(duì)家用電器市場推出的經(jīng)過校準(zhǔn)的表壓傳感器系列產(chǎn)品。它采用高性能信號(hào)調(diào)理芯片對(duì)MEMS壓阻芯體輸出進(jìn)行溫度和壓力校準(zhǔn)和補(bǔ)償，在保證性能和可靠性的同時(shí)對(duì)封裝進(jìn)行了集成，易于使用。
NSPGD1與傳統(tǒng)電子水位儀的比較
歸納起來，NSPGD1具有四大優(yōu)勢：
一是與傳統(tǒng)機(jī)械式水位測量方案相比，MEMS壓力傳感器芯片具有高輸出精度（全溫區(qū)綜合精度達(dá)1%）、高線性度和高集成度特點(diǎn)，無需過多的外圍器件，有助于降低整體方案尺寸、電路復(fù)雜性和成本，增加設(shè)計(jì)的靈活性。特有的頻率輸出模式和5.45mm直徑氣嘴便于無縫替代傳統(tǒng)機(jī)械式洗衣機(jī)水位傳感器，是洗衣機(jī)水位監(jiān)測功能升級(jí)換代的理想選擇。
NSPGD1替代的器件
二是NSPGD1采用納芯微高性能、高可靠性MEMS壓阻技術(shù)，可無縫實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代，且在同類產(chǎn)品中輸出精度更高，功耗更低，工作溫度范圍更廣，還具有更強(qiáng)的耐爆破壓力能力。相對(duì)于市面上已有產(chǎn)品，NSPGD1具有更寬的溫度范圍、更低的工作電流、更為豐富的封裝形式，且成本更優(yōu)，性價(jià)比更高。
三是NSPGD1拓展了納芯微壓力傳感器系列產(chǎn)品組合，能夠滿足細(xì)分領(lǐng)域中小量程（0～2kPa）的壓力檢測需求。
四是納芯微作為國產(chǎn)芯片提供商，能夠更好地保證交付，降低客戶供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)。
NSPGD1系列集成壓力傳感器可選量程為-10kPa～10kPa（量程可定制），采用帶氣嘴的DIP8封裝形式，方便客戶焊接和使用。
適合壓力敏感元件結(jié)構(gòu)材料兼容的非腐蝕性氣體表壓檢測適用于非接觸式液位檢測等應(yīng)用，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/I2C數(shù)字輸出以及特有的頻率輸出功能，應(yīng)用更加靈活。
NSPGD1輸出壓力值與液位高度呈線性關(guān)系，可實(shí)時(shí)檢測輸出，且無累積誤差，對(duì)滴、漏及水流損失進(jìn)行精確測量，直接替代傳統(tǒng)機(jī)械式液位傳感器，且在直徑確定的系統(tǒng)中可替代轉(zhuǎn)子流量計(jì)測量流量與體積。其外圍接口電路簡單，多種數(shù)據(jù)輸出形式可選，方便應(yīng)用。
NSPGD1的特性及其應(yīng)用
NSPGD1系列集成壓力傳感器具有以下產(chǎn)品特性：
● 高精度低功耗：高度線性，穩(wěn)定性好，無需校準(zhǔn)，100%溫度補(bǔ)償，器件一致性更好的，常溫下輸出精度優(yōu)于±1%F.S.，0℃～70℃全溫范圍內(nèi)精度優(yōu)于±1.5%F.S.，且工作電流小于3mA
● 多種輸出方式：支持模擬比例輸出/數(shù)字I2C輸出/頻率輸出三種輸出方式，適用于多種應(yīng)用需求，簡單便利，可移植性好。
● 氣嘴型封裝方式：標(biāo)準(zhǔn)型帶氣嘴DIP8封裝（10.4mm×10.4mm），支持正面進(jìn)氣，不易堵塞，芯片內(nèi)部防水防潮處理，具有較高可靠性與應(yīng)力消除特性。
● 壓力量程可定制：-10kPa～+10kPa內(nèi)量程可定制，最低量程可至2kPa，支持多種壓力應(yīng)用場景，靈活性高。
NSPGD1系列集成壓力傳感器主要用于液位高度精確測量，它是一款基于硅的壓阻效應(yīng)，并采用先進(jìn)的MEMS微加工工藝制造的帶氣嘴集成式表壓傳感器，氣嘴封裝結(jié)構(gòu)特別適合洗衣機(jī)、凈水器、洗碗機(jī)等家電用品的液位檢測，也可用于按摩椅、智能血壓計(jì)、制氧機(jī)、呼吸機(jī)、制氧機(jī)、麻醉儀、生物安全柜等醫(yī)療電子設(shè)備，在壓力開關(guān)、負(fù)壓真空檢測、氣體壓力檢測等工業(yè)工業(yè)控制以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的壓力檢測應(yīng)用中也有用武之地。
NSPGD1功能框圖（I2C輸出）
基于NSPGD1壓力傳感器的液位檢測設(shè)計(jì)方案
NSPGD1以MEMS壓阻表壓壓力芯體作為壓力敏感元件，該元件會(huì)輸出一個(gè)與環(huán)境壓力呈正比例關(guān)系的原始信號(hào)輸出。由內(nèi)置的調(diào)理芯片驅(qū)動(dòng)該敏感元件，并對(duì)其原始信號(hào)進(jìn)行放大、溫度補(bǔ)償、線性度補(bǔ)償，之后輸出一個(gè)與施加壓力呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)。
NSPGD1系列支持模擬輸出/數(shù)字輸出（I2C）以及特有的頻率輸出功能。
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(duì)0kPa～6kPa量程范圍，Pmax為6kPa（輸出90%VDD），Pmin為0kPa（輸出10%VDD），其典型傳遞函數(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。
下表是典型壓力值與輸出電壓的對(duì)照。
典型輸入輸出圖
NSPGD1頻率輸出形式
該系列頻率輸出型芯片針對(duì)0kPa～6kPa量程范圍，Pmax為6kPa（輸出90%FS），Pmin為0kPa（輸出10%FS），其典型傳遞函數(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；
NSPGD1 數(shù)字（I2C）輸出形式
該系列數(shù)字（I2C）輸出型芯片針對(duì)0kPa～6kPa量程范圍，其典型傳遞函數(shù)為：
其中：
Pdata為I2C采集的值；
數(shù)字（I2C）輸出數(shù)據(jù)具體處理步驟如下：
給芯片上電；
1. I2C將0x30寄存器寫為0x0A；
2. 等待3ms；
3. I2C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(jì)方案是基于I2C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)系納芯微。
下圖是本文采用I2C串行總線通信的應(yīng)用電路圖。I2C串總線一般有兩根信號(hào)線，一根是雙向數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時(shí)鐘線SCL，均通過4.7K上拉電阻上拉到VDD，GND與VDD有0.1μF濾波電容。
NSPGD1 I2C輸出型應(yīng)用電路圖
參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)
NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)如下圖所示，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(duì)應(yīng)液體壓強(qiáng)變化。利用NSPGD1高精度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取水箱內(nèi)液體高度，進(jìn)而根據(jù)不同家用電器的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)給或輸送水量。
NSPGD1參考應(yīng)用結(jié)構(gòu)
傳感器數(shù)據(jù)處理
本文中液位檢測設(shè)計(jì)方案是基于I2C數(shù)字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器，傳感器測量數(shù)據(jù)與液位高度的計(jì)算方法如下：
方法一：壓力對(duì)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(duì)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(huì)進(jìn)入氣管內(nèi)，這部分水在氣管內(nèi)形成一定壓力，導(dǎo)致零點(diǎn)整體漂移，因此，實(shí)際使用時(shí)需要對(duì)0點(diǎn)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。由于氣管內(nèi)徑及安裝位置的不同，具體offset值需實(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(jì)算得到液位高度，從而避免了中間壓力換算引入的誤差。
NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測試
NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測試如下表所示。
NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測試
從上表設(shè)置水位高度為50mm、200mm、400mm、300mm的4個(gè)測試點(diǎn)，通過測試得到下表的NSPGD1實(shí)際應(yīng)用及水流量計(jì)對(duì)比測試結(jié)果：
從上表可以看出，NSPGD1的測量結(jié)果要比水流量計(jì)計(jì)算得到的結(jié)果精度高，四個(gè)測試點(diǎn)中：50mm處測量誤差最大為-1.96%（絕對(duì)誤差1mm），但此時(shí)水位較低，誤差所占此時(shí)水位高度比重大；在全量程中，基于對(duì)液體壓力實(shí)時(shí)的測量，NSPGD1的測量結(jié)果誤差不會(huì)累積，數(shù)據(jù)比較均衡，液位高度誤差為1～2mm；流量計(jì)在運(yùn)行時(shí)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(duì)誤差達(dá)到10mm。
NSPGD1單個(gè)傳感器測量精度0.5%，但由于整個(gè)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(dòng)引起振動(dòng)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>
結(jié)論
基于NSPGD1的液位檢測方案外圍器件少、精度高、可實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的無接觸測量，且測量結(jié)果無累積誤差。NSPGD1是可根據(jù)不同客戶需求定制不同量程范圍傳感器，有助于滿足不同家用電器液位高度測量需求。
針對(duì)客戶的進(jìn)一步需求，納芯微也在開發(fā)更大壓力量程的產(chǎn)品，目前工程樣品階段的帶氣嘴表壓集成傳感器已達(dá)到-100kPa～200kPa，應(yīng)用于余壓檢測的雙氣嘴微差壓集成傳感器也將陸續(xù)推出。
樣片申請
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