一种压力传感器检测电路设计

[摘 要]在现有的空调热水机上，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，水位检测不准，水中杂质和水垢对导电性能存在危害等多方面的缺陷。

[关键词]水位；压力传感器；检测电路

中图分类号：TP212.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0105-01

1 暖通设备热水机控制的技术背景

在现有的空调热水机上，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，水位检测不准，水中杂质和水垢对导电性能存在危害等多方面的缺陷。

针对上述问题本设计采用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。

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 电路原理及实现方案

2.1 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，可以很好地满足水箱水位检测要求。

它具有如下特点：（+VS = 3.0 Vdc， TA = 25°C条件下）

①零压力偏压典型值为20mv。

②传感器灵敏度较高，为3.5mV/KPa；注意此参数仅在+VS = 3.0 Vdc， 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。

2.2 实现方案

采用MPX10DP作为压力传感器，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。

另外需要一个温度传感器来检测水位，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。

2.3 原理图分析（见图1）

2.4 +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。

2.4.1 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。

2.4.2 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。

2.4.3 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。

2.4.4 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。

2.4.5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 + sensitivity x P=δ+kH （P=ρgh）

测试数据如表1：

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。