【導讀】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、洗碗機都需要通過控制液位來實現多水位的洗滌方式，以達到節水目的；熱水器需要在液位過低時自動補水，防止干燒；咖啡機、啤酒機也需要檢測液位來控制流量和出水量。因此，精準的液位檢測是幫助實現家用電器相關功能的重要前提和保證。納芯微電子推出的NSPGD1是一款經過校準的表壓液位傳感器，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直擊應用痛點
傳統的液位測量采用機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，無法實現高精度的穩定測量。而集成式MEMS壓力傳感器內置信號調理芯片，集溫度補償和線性補償于一體，可以很好地彌補傳統液位測量精度不高的缺陷。
NSPGD1是納芯微針對家用電器市場推出的經過校準的表壓傳感器系列產品。它采用高性能信號調理芯片對MEMS壓阻芯體輸出進行溫度和壓力校準和補償，在保證性能和可靠性的同時對封裝進行了集成，易于使用。
NSPGD1與傳統電子水位儀的比較
歸納起來，NSPGD1具有四大優勢：
一是與傳統機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（全溫區綜合精度達1%）、高線性度和高集成度特點，無需過多的外圍器件，有助于降低整體方案尺寸、電路復雜性和成本，增加設計的靈活性。特有的頻率輸出模式和5.45mm直徑氣嘴便于無縫替代傳統機械式洗衣機水位傳感器，是洗衣機水位監測功能升級換代的理想選擇。
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，可無縫實現國產化替代，且在同類產品中輸出精度更高，功耗更低，工作溫度范圍更廣，還具有更強的耐爆破壓力能力。相對于市面上已有產品，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，性價比更高。
三是NSPGD1拓展了納芯微壓力傳感器系列產品組合，能夠滿足細分領域中小量程（0～2kPa）的壓力檢測需求。
四是納芯微作為國產芯片提供商，能夠更好地保證交付，降低客戶供應鏈風險。
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構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用，也適用于工業及物聯網等領域。該系列支持模擬輸出/I2C數字輸出以及特有的頻率輸出功能，應用更加靈活。
NSPGD1輸出壓力值與液位高度呈線性關系，可實時檢測輸出，且無累積誤差，對滴、漏及水流損失進行精確測量，直接替代傳統機械式液位傳感器，且在直徑確定的系統中可替代轉子流量計測量流量與體積。其外圍接口電路簡單，多種數據輸出形式可選，方便應用。
NSPGD1的特性及其應用
NSPGD1系列集成壓力傳感器具有以下產品特性：
● 高精度低功耗：高度線性，穩定性好，無需校準，100%溫度補償，器件一致性更好的，常溫下輸出精度優于±1%F.S.，0℃～70℃全溫范圍內精度優于±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/數字I2C輸出/頻率輸出三種輸出方式，適用于多種應用需求，簡單便利，可移植性好。
● 氣嘴型封裝方式：標準型帶氣嘴DIP8封裝（10.4mm×10.4mm），支持正面進氣，不易堵塞，芯片內部防水防潮處理，具有較高可靠性與應力消除特性。
● 壓力量程可定制：-10kPa～+10kPa內量程可定制，最低量程可至2kPa，支持多種壓力應用場景，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，并采用先進的MEMS微加工工藝制造的帶氣嘴集成式表壓傳感器，氣嘴封裝結構特別適合洗衣機、凈水器、洗碗機等家電用品的液位檢測，也可用于按摩椅、智能血壓計、制氧機、呼吸機、制氧機、麻醉儀、生物安全柜等醫療電子設備，在壓力開關、負壓真空檢測、氣體壓力檢測等工業工業控制以及物聯網等領域的壓力檢測應用中也有用武之地。
NSPGD1功能框圖（I2C輸出）
基于NSPGD1壓力傳感器的液位檢測設計方案
NSPGD1以MEMS壓阻表壓壓力芯體作為壓力敏感元件，該元件會輸出一個與環境壓力呈正比例關系的原始信號輸出。由內置的調理芯片驅動該敏感元件，并對其原始信號進行放大、溫度補償、線性度補償，之后輸出一個與施加壓力呈線性關系的電壓信號。
NSPGD1系列支持模擬輸出/數字輸出（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 數字（I2C）輸出形式
該系列數字（I2C）輸出型芯片針對0kPa～6kPa量程范圍，其典型傳遞函數為：
其中：
Pdata為I2C采集的值；
數字（I2C）輸出數據具體處理步驟如下：
給芯片上電；
1. I2C將0x30寄存器寫為0x0A；
2. 等待3ms；
3. I2C連續讀取0x06、0x07、0x08寄存器值，假設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；
本文中液位檢測設計方案是基于I2C數字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器。如果想基于NSPGD1實現模擬量或頻率輸出模式，可以聯系納芯微。
下圖是本文采用I2C串行總線通信的應用電路圖。I2C串總線一般有兩根信號線，一根是雙向數據線SDA，另一根是時鐘線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輸出型應用電路圖
參考應用結構
NSPGD1參考應用結構如下圖所示，NSPGD1傳感器通過氣管連接至水箱底部，水箱內水位升高或降低的高度將等比例對應液體壓強變化。利用NSPGD1高精度傳感器可以實時獲取水箱內液體高度，進而根據不同家用電器的控制邏輯，實現自動補給或輸送水量。
NSPGD1參考應用結構
傳感器數據處理
本文中液位檢測設計方案是基于I2C數字輸出形式的NSPGD1壓力傳感器，傳感器測量數據與液位高度的計算方法如下：
方法一：壓力對應高度換算：
其中：P_f為液體在液桶底面產生的壓強；ρ為液體密度，假設液桶中為水，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，則對應可測量液體高度h范圍為：0～0.612.24m；考慮到實際氣管安裝在液桶底部，蓄水后，有一部分水會進入氣管內，這部分水在氣管內形成一定壓力，導致零點整體漂移，因此，實際使用時需要對0點壓力進行補償。由于氣管內徑及安裝位置的不同，具體offset值需實際測試得到：
方法二：直接標定換算：
通過直接測量標定容器液位高度h與傳感器Pdata關系，得到實際高度h與Pdata傳遞函數，通過Pdata計算得到液位高度，從而避免了中間壓力換算引入的誤差。
NSPGD1實際應用及水流量計對比測試
NSPGD1實際應用及水流量計對比測試如下表所示。
NSPGD1實際應用及水流量計對比測試
從上表設置水位高度為50mm、200mm、400mm、300mm的4個測試點，通過測試得到下表的NSPGD1實際應用及水流量計對比測試結果：
從上表可以看出，NSPGD1的測量結果要比水流量計計算得到的結果精度高，四個測試點中：50mm處測量誤差最大為-1.96%（絕對誤差1mm），但此時水位較低，誤差所占此時水位高度比重大；在全量程中，基于對液體壓力實時的測量，NSPGD1的測量結果誤差不會累積，數據比較均衡，液位高度誤差為1～2mm；流量計在運行時間長后由于脈沖累積誤差導致誤差變大測量誤差最大2.68%，絕對誤差達到10mm。
NSPGD1單個傳感器測量精度0.5%，但由于整個DEMO系統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、液體流動引起振動等因素而引入的系統誤差，因此，實際應用中液位高度誤差可通過合理布置安裝及算法補償得到控制。
結論
基于NSPGD1的液位檢測方案外圍器件少、精度高、可實時監測，實現對液體的無接觸測量，且測量結果無累積誤差。NSPGD1是可根據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。
針對客戶的進一步需求，納芯微也在開發更大壓力量程的產品，目前工程樣品階段的帶氣嘴表壓集成傳感器已達到-100kPa～200kPa，應用于余壓檢測的雙氣嘴微差壓集成傳感器也將陸續推出。
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