MPX10DP压力传感器检测电路设计

MPX10DP压力传感器检测电路设计周亮1范围在现有的热水机上，通常利用水中电解质导电和浮子来做水位传感器，因此存在着水位档位不多，水中杂质和水垢对导电性能存在危害等多方面的缺陷。本设计采用MPX10DP压力传感器，利用水的压力和高度之间的关系h=Pa/gρ来检测水的高度。此方案具有良好的绝缘性能，及信号的连续性，可以解决上面存在的问题。指本文针对压力传感器检测电路的电路原理，各器件的参数计算选择，相关技术要求和实际使用中的有关问题进行了阐述。2电路原理2.1MPX10DP简单介绍2.1.1基本概念压力传感器是一种将压力转换成电流/电压的器件，可用于测量压力、位移等物理量。压力传感器的种类很多，其中硅半导体传感器因其体积小、重量轻、成本低、性能好、易集成等优点得到广泛的应用。硅压阻式传感器属于其中的一种，它是在硅片上用扩散或离子注入法形成四个阻值相等的电阻条，并将它们接成一个惠斯登电桥。当没有外加压力时，电桥处于平衡状态，电桥输出为零。当有外加压力时，电桥失去平衡而产生输出电压，该电压大小与压力有关，通过检测电压，即可得到相应的压力值。但这种传感器由于四个桥臂电阻不完全匹配而引起测量误差，零点偏移较大，不易调整。Motorola公司生产的X型硅压力传感器则可以克服上述缺点。Motorola专利技术采用单个X型电阻元件，而不是电桥结构，其压敏电阻元件呈X型，因而称为X型压力传感器。该X型电阻其模拟输出电压正比于输入的压力值和电源偏置电压，具有极好的线性度，且灵敏度高，长期重复性好。此系列中的MPX10DP作为压力传感器，可以很好地满足系统的要求。它具有如下特点：（＋VS=3.0Vdc,TA=25°C条件下）①零压力偏压典型值为20mv②传感器灵敏度较高，为3.5mV/KPa；注意此参数仅在＋VS=3.0Vdc,条件下适用。③压力范围max10KPa，通过公式（ｈ=Pa/ρｇ）计算约1.02米的水柱高度，在此范围内线性好；④最大承受压力范围75KPa，约76.5米高的水柱；爆破压力为100KPa，约102米高的水柱。⑤温度性能好。在-40°C--+85°C范围内有较好的线性。2.1.2实现方案：采用MPX10DP做为压力传感器，LM358作为两级放大，把弱信号经过放大约100倍，转换成能被0-5V的范围内，再经过MCU的AD口读出电压值，MUC通常可以选用10位的AD，或根据实际的精度需求来选择本例的选择8位AD读数，精确度可以达到3mm的水柱。最大量程为5.0V。零压力条件下偏压为1.0V，最大水位量程为1米（现行水机的高度都在1米的范围内，可以满足需求。）另外需要一个温度传感器来检测水稳，补偿由于温漂而引起检测与实际的偏差。温度漂移主要来自LM358和MPX10DP两个方面。2.1.3原理图分析：2.1.3.1+VS的选择方法：MPX10DP的+VS采用+5V通过R16和传感器分压提供，+VS大约为5*R16*（Rin+R16）=5*450/600V大约为3.75V的电压，对于不同的压力传感器+VS可能有一定的偏差。主要由于压力传感器本身的电阻值不一样（Rin范围为400-550欧）引起的。调节R16可以调节+VS，+VS的高低将直接影响到输出电压的范围及偏压的大小。2.1.3.2偏压平衡电路：此电路由R7，R6，R10，C8，R12组成R7，R6，R10，把5V的电压分压到2.0V左右，因为压力传感器可以工作在负压力的条件下，偏压过低将使放大的信号减少，降低了灵敏度。过高可能导致最大量程高于5V。R12的引入将导致降低放大的性能，所以通常R12的选择为R11//R9的100-1000倍以上可认为是安全的。所以图中选择为1M。R7，R6，R10的阻值不能过大，否则分压将受放大电路的电阻影响。2.1.3.1.3前级放大倍数A2前级采用差摸放大，可以抑制共模信号。放大倍数为A2=R11/R9+1=20.6倍，实际可能由于R12的存在及LM358输入电阻的影响会降低A2的值。本例为19.58。其中C7起相位补偿作用，防止深反馈导致自激现象。2.1.3.1.3后级放大倍数A1后级采用负反馈放大倍数A1=R14/R15+1=4.91倍，本例实际为4.988。注意此时LM358的电压必须大于9V，否则会出现在电源为5.0V的条件下放大值最大为3.7V，5脚和6脚的电压将不再相等。本案例采用12V的电压。2.1.3.1.4钳位电路由于输出电压可能超过MCU的电压，所以必须加D1钳位二极管。从测试的结果也可以看出来。2.1.3.1.4温度检测电路为了更好的进行检测水位，必须进行温度补偿，此电路有J2和R1组成。3计算公式：在理想状态下：VO=Voff+sensitivityxP=δ+kH(P=ρｇh)测试数据如下：序号水位H（mm）VO（V）VIN(V)VMID(V)11355.6120.07461.26521305.5950.0721.22831255.570.06961.17841205.520.06731.13251165.460.06571.10261105.2880.06371.06171055.1020.06181.02381004.9050.060.9859954.7160.05780.94710904.5290.0560.909511854.3220.0540.868812804.1390.05210.831613753.9670.05020.79514703.7780.04830.75915653.60.04630.72116603.4140.04420.682717553.2060.042440.64318503.0070.04030.602219452.80.03840.563220432.7380.03770.548221412.660.03670.53322352.4460.03450.488723302.2340.03240.447624252.0520.03060.41225201.8470.028850.36926151.6480.02660.32927101.4660.02460.29392851.2790.02280.25482900.9890.0190.198公式:VO=A1*A2*VIN+Δ=98.31VIN+0.94(V)应用公式：V0=K*H+δ=0.038*H+1.105（V）红色部分为超出量程的部分常温下测试，由于测试条件限制，数据可能有点偏差。4注意事项：4.1：必须确保P1〉P2，否则输出负电压。4.2：压力传感器必须和水隔离，因为水里的沉淀会影响压力传感器的灵敏度。4.3：压力传感器最大有效量程为1.02米，如果需要检测更高的水位请查看附件4.4：图上所有电阻最好采用误差为1%的金膜电阻。