Каталог
Бұл мақала биіктік пен суға түсу тереңдігін бір уақытта өлшеу үшін киілетін құрылғыларда MEMS абсолютті қысым сенсорын қолданудың қолданбалы тәсілін ұсынады. Мысал ретінде WF282A сенсорын қолданатын болсақ, ол өте кішкентай, өте дәл және қуаты аз (wfsensors.com). Мақалада биіктіктің су астындағы өлшеуге қарсы әртүрлі талаптары мен қиындықтары талданады, WF282A негізгі техникалық параметрлері мен артықшылықтары, соның ішінде жоғары дәлдік, төмен қуат тұтыну, орау және интерфейс дизайны және т.б. түсіндіріледі. Сондай-ақ, ол құрылғыға датчикті дәнекерлеу және орнатудың негізгі сәттері, сынақ процедуралары мен сериялық өндіріске дейін құралды таңдау, сондай-ақ қоршаған орта мен биіктік деңгейіне сәйкес келетін режимдер арасындағы айырмашылықты қарастырады. режимдері. Тағатын спорт құрылғыларын әзірлеушілерге арналған бұл мақала қысқа әрі оқырманға ыңғайлы, оқырмандарға көп функционалды абсолютті қысым сенсоры технологиясын түсінуге және қолдануға көмектеседі.
MEMS абсолютті қысым сенсорларының биіктік пен суға түсуді өлшеудегі қосарлы қолдану қиындықтары
Биіктікті өлшеу ортасы
Ауада биіктікті өлшеу негізінен атмосфералық қысымның өзгеруіне негізделген. Биіктік өскен сайын қысым 8 метрге шамамен 1 гПа төмендейді, яғни биіктіктің өзгеруінің сантиметрі шамамен 0,01 гПа-ға сәйкес келеді. Сондықтан биіктікті өлшеу өте жоғары ажыратымдылық пен температура тұрақтылығы бар сенсорды қажет етеді. Іс жүзінде құрылғылар дәлдікті жақсарту үшін іске қосу кезінде немесе белгілі биіктікте (GPS немесе анықтамалық деректерді пайдалану) жиі эталондық қысымды калибрлейді. Атмосфералық температура мен ауа райы жағдайлары қысымның ауытқуын тудырады, сондықтан сенсор температура мен ылғалдылық өзгерістерін өтеуі керек. Ауа құрғақ, бірақ ауа райының кенет өзгеруі (дауылдың басталуы сияқты) көрсеткіштерді бұзуы мүмкін. Жылдам тік қозғалыстарды өңдеу үшін (баспалдақпен көтерілу сияқты) динамикалық биіктік өзгерістерін түсіру үшін жеткілікті іріктеу жылдамдығы мен сүзгілеу қажет.
Су астындағы өлшеу ортасы
Су астында сенсор ауаға қарағанда әлдеқайда жоғары қысымға ұшырайды. NOAA мәліметтері бойынша, судың әрбір 10 метр тереңдігі үшін қысым шамамен бір атмосфераға артады. Осылайша, суға түсу кезінде абсолютті қысым датчигінің көрсеткіші су тереңдігінен түсетін қысымды да, жер бетіндегі атмосфералық қысымды да қамтиды. Датчик мөрленген және су өткізбейтін болуы керек, ал оның өлшеу диапазоны қажетті тереңдікті қамтуы керек. Сүңгу алдында су бетіндегі P0 анықтамалық қысымын жазып алуға болады және оны сүңгу кезінде тереңдікті есептеу үшін базалық сызық ретінде пайдалануға болады. Сонымен қатар, судың температурасы мен тұздылығының өзгеруі судың тығыздығына және осылайша тереңдіктің есебіне әсер етеді; оларды өтемақы факторларымен түзетуге болады. Ұзақ сүңгу кезінде сенсордың дрейфі де қателерді тудыруы мүмкін, сондықтан мерзімді қайта калибрлеу немесе алгоритмдік түзету қажет.
Өлшеу диапазоны және дәлдікке қойылатын талаптар
Биіктік режимінде қысымның өзгеруі өте аз. Мысалы, едендер арасындағы 3 метрлік биіктік айырмашылығы тек шамамен 30 Па-ға сәйкес келеді. Жоғары дәлдік режиміндегі WF282A ±0,006 гПа (шамамен 5 см) ажыратымдылықты қамтамасыз ете алады, бұл қатаң биіктікті өлшеу қажеттіліктерін қанағаттандыра алады. Сүңгуір тереңдігін өлшеу үшін әлдеқайда кең қысым диапазоны қажет: әрбір 10 метр тұщы су шамамен 1000 гПа қосады. WF282A диапазоны 300–1200 гПа (шамамен 1100 м биіктік немесе 10 м су) екенін ескеріңіз, сондықтан ол осы ауқымнан тыс өлшей алмайды. Температураның өзгеруі сенсор шығысына да әсер етеді және оны өтеу керек.
Режимді ауыстыру және жүйені жобалаудағы қиындықтар
Қос режимді қолданба құрылғының биіктік және суға түсу режимдері арасында ауысуын талап етеді. Бұл жүйе су астында екенін (мысалы, қалыпты атмосфералық диапазоннан жоғары қысымның жылдам көтерілуі арқылы) анықтауы және сәйкес есептеуді таңдауы керек дегенді білдіреді. Қарапайым стратегия - жалған триггерлерді болдырмас үшін ұзақ уақыт бойы қысым шекті мәннен (мысалы, 1100 гПа) асқанда сүңгу режиміне ауысу. Биіктік режимінде стандартты атмосфералық формула қысымды биіктікке түрлендіреді, ал сүңгу режимінде тереңдікті есептеу үшін гидростатикалық формула қолданылады. Негізгі атмосфералық қысым мен калибрлеу режимдер арасында ерекшеленеді, сондықтан жүйе дизайны үздіксіз ауысуды қамтамасыз ету үшін қоршаған орта параметрлерін (мысалы, беттік қысым P0) сақтау және жаңарту жолын қарастыруы керек. Қосымша қолмен режим қосқышы сақтық көшірме ретінде де қамтамасыз етілуі мүмкін.
WF282A сенсорының негізгі техникалық артықшылықтары мен сипаттамалары
Жоғары дәлдік өнімділігі
WF282A сенсоры өлшеудің өте жоғары дәлдігі мен ажыратымдылығын қамтамасыз етеді. Жоғары дәлдік режимінде оның қысым рұқсаты ±0,006 гПа (шамамен 5 см биіктікте). Оның әдеттегі салыстырмалы дәлдігі шамамен ±0,12 гПа, ал сызықты емес қателігі ±0,06 гПа шамасында және дәл сезімталдық үшін 24 биттік сандық шығысты қамтамасыз етеді. Мұндай жоғары ажыратымдылық әрең байқалатын биіктік өзгерістерін анықтай алады.
Төмен қуатты дизайн
WF282A аз қуатты дизайны портативті қолданбалар үшін өте қолайлы. Әдетте 1 Гц сынама алу кезінде ток шамамен 2,7 мкА; жоғары дәлдік режимінде шамамен 60 мкА, төмен қуат режимінде тек 3 мкА және күту тогы 1 мкА -ден төмен. Бұл өте төмен қуат мүмкіндіктері сенсорды ұзақ жұмыс уақытын қажет ететін батареямен жұмыс істейтін құрылғылар үшін тамаша етеді.
Ықшам орау және интерфейс опциялары
WF282A өлшемі небәрі 2,0×2,5×0,95 мм болатын 8-пластикалық LGA шағын пакетімен келеді, бұл оны өте ықшам етеді. Ол сандық I2C немесе SPI интерфейсі арқылы хостпен байланысады және тіпті деректерді іздеуді жеңілдету үшін қосымша үзу шығысын ұсынады. Қаптаманың үстінде қысым порты ретінде қызмет ететін кішкене тесік бар, оны жобалау және құрастыру кезінде бітелуден сақтау керек.
FIFO буфері және деректерді өңдеу
WF282A чиптегі FIFO буферін және деректерді өңдеуді қамтиды. Оның кірістірілген FIFO 32 өлшем үлгісіне дейін сақтай алады, сондықтан хост бір уақытта бірнеше мәндерді оқи алады, содан кейін жалпы қуат тұтынуды азайту үшін ұзағырақ ұйықтай алады. Сондай-ақ сенсор конфигурацияланатын сандық сүзуді (IIR сүзгілері сияқты) және жоғары үлгі жылдамдығын сақтай отырып шуды басатын артық іріктеу режимдерін қолдайды. Бұл ішкі функциялар өлшеу сенімділігін жақсартады және бағдарламалық жасақтаманы өңдеуді жеңілдетеді.
Датчикті құрылғыға дәнекерлеу және орнатудың негізгі нүктелері
Footprint Layout және PCB дизайны
ПХД орналасуын құрастырған кезде, құрылғының өлшеміне сәйкес келетін WF282A 8-пластикалық LGA ізін орындаңыз. Әдетте қысым портының айналасында саңылау қалдырыңыз және дәнекерлеудің портқа ағып кетуіне жол бермеу үшін төсемдердегі дәнекерлеу маскасының бөгеттерін пайдаланыңыз. Сондай-ақ, жылу кернеуін азайту үшін GND және VCC төсемдеріне біркелкі бағыттауды қамтамасыз етіңіз және жақсы термиялық тұрақтылық үшін ішкі қабаттарға мыс құймаларын қосуға болады. Датчиктің астындағы ауа қалталарын немесе траншеяларды басып қалмаңыз, өйткені қысылған ауа қысымның берілуін әлсіретуі мүмкін. Сенсордың астыңғы жағы жақсы жанасуы үшін ПХД төсемдері тегіс екеніне көз жеткізіңіз.
Дәнекерлеу және қайта ағу
Дәнекерлеу үшін ұсынылатын қорғасынсыз қайта ағу процесін пайдаланыңыз: 3°C/с аспайтын жылдамдықпен жоғарылатыңыз, ең жоғары нүктесі 260°C шамасында және 217°C жоғары температурада 60–150 секунд ұстаңыз. Қайта ағызғаннан кейін тақтаны табиғи түрде суытыңыз және жылдам салқындатуды болдырмаңыз. Қайталап қыздыруды болдырмау үшін әдетте бір сенсорға тек бір қайта ағынды цикл қажет. Қайта өңдеу үшін қыздыру уақытын азайту үшін төмен температуралы дәнекерлеу үтікті жылдам пайдаланыңыз. Датчикті қорғау үшін ESD сақтық шараларын қолданыңыз және суық қосылыстар немесе дәнекерлеу көпірлері жоқ екеніне көз жеткізу үшін буындарды тексеріңіз.
Қысым портын қорғау
Дәнекерлеуден кейін қысым саңылауын ешқандай дәнекер немесе қоқыс бөгеп тұрмауы үшін портты тексеріп, тазалаңыз. Гидроизоляция қажет болса, сенсор порты суға емес, атмосфераға әсер ететіндей етіп, тыныс алатын мембранасы бар тығыздалған қоршауды пайдаланыңыз. Портты жабатын құмыраға арналған қосылыстар немесе эпоксидтерден аулақ болыңыз; оның орнына корпусты нығыздау үшін тығыздағыш сақиналарды немесе тығыздағыштарды пайдаланыңыз, порттың желдетілуін қамтамасыз етіңіз.
Механикалық монтаждау және қорғау
Датчик дәнекерлеу төсемдері арқылы орнында ұсталады және әдетте қосымша механикалық қолдауды қажет етпейді. Дегенмен, киілетін құрылғыда қоршау соққылар мен дірілдерді азайту үшін соққыдан қорғауды қамтамасыз етуі керек. Жабысқақ қажет болса, оны тек шеттеріне жағыңыз және қысым портын немесе төсемдерді жаппаңыз. Сенсорды ешқашан икемді бетке тікелей орнатпаңыз.
Жаппай өндіріске дейін сынақ процедуралары және ұсынылатын құралдар/әдістер
Функционалдық және калибрлеу сынағы
Жаппай өндіріс алдында сенсорлардың әрбір партиясында функционалды тексеру және калибрлеу сынақтарын жүргізу ұсынылады. Әдеттегі процедура мыналарды қамтиды: 1) датчикті стандартты атмосфералық қысымға (~1013 гПа) қойыңыз және ауытқуды тексеру үшін шығысты оқыңыз; 2) сызықтық пен сезімталдықты тексеру үшін бірнеше нүктелерде (мысалы, 900 гПа, 1100 гПа) қысымды қолдану үшін дәл қысым көзін немесе өлі салмақ сынаушысын пайдаланыңыз; 3) сериядағы I2C/SPI арқылы сенсор деректерін оқу үшін автоматтандырылған сынақ жүйесін пайдаланыңыз және температура ауытқуын бағалау үшін әртүрлі температура жағдайында осы сынақтарды қайталаңыз. Бұдан әрі дәлдікті тексеру үшін белгілі биіктік нүктелерінде (биіктікті калибрлеу мұнарасы сияқты) дала сынақтарын орындауға да болады.
Қоршаған орта және сенімділік сынақтары
Сынақтар сонымен қатар қоршаған ортаны қорғау және сенімділік элементтерін қамтуы керек: экстремалды температураларда шығыстың ауытқуын бағалау үшін климаттық камерада температура циклін орындаңыз; сенсордың ылғалды ортадағы әрекетін бақылау үшін ылғалдылық сынақтарын орындаңыз. Тығыздауды және ұзақ мерзімділікті тексеру үшін суға батыру немесе қысымды айналдыру сынақтарын жүргізіңіз, мысалы, қайталанатын сүңгуірлерді имитациялау үшін құрылғыны су ыдысына немесе қысым камерасына қою арқылы. Діріл және соққы сынақтары динамикалық жағдайларда сенсордың сенімділігін және жалпы құрылғы құрылымын бағалауға көмектеседі.
Ұсынылатын сынақ құралдары/әдістері
Ұсынылатын сынақ жабдықтары мен әдістеріне мыналар жатады:
Дәл қысым калибраторы: мысалы Бағдарламаланатын ауа немесе су қысымын қамтамасыз ету үшін Fluke 716 немесе Mensor CPC100.
Термиялық/ылғалдылық камерасы: температура мен ылғалдылықтың сенсорға әсерін тексеру үшін.
Автоматтандырылған сынақ тақтасы: MCU немесе FPGA көмегімен I2C/SPI арқылы оқу/жазу сенсоры регистрлерін топтастыру және деректерді жазу.
Су қысымын тексеруді орнату: әртүрлі сүңгуір тереңдіктерін модельдеу үшін қысымды су ыдысы немесе қысым камерасы.
Қуат анализаторы немесе осциллограф: сенсордың сынама алу уақытын және ағымдағы сызуды бақылау үшін.
Анықтамалық стандарттар: өлшеу нәтижелерін тексеру үшін калибрленген стандартты қысым датчиктерін пайдаланыңыз.
Режимді ауыстыру алгоритмдері және қоршаған ортаның компенсация факторлары
Режимді ауыстыруға арналған триггер
Биіктік режимінен сүңгу режиміне қашан ауысу керектігін анықтау керек. Қарапайым стратегия - құрылғы қалыпты атмосфералық диапазоннан (мысалы, 1100 гПа жоғары) қысымның жылдам көтерілуін анықтаған кезде сүңгуді жариялау. Жалған триггерлерді болдырмау үшін қысымның шекті мәннен ұзақ уақыт өтуін талап етуге немесе ылғалдылық сенсорын немесе басқа суды анықтау механизмін пайдалануға болады. Автоматты анықтау сәтсіз болса, пайдаланушы интерфейсі сақтық көшірме ретінде қолмен режим қосқышын ұсына алады.
Биіктікті есептеу алгоритмі
Биіктік режимінде қысымды биіктікке түрлендіру үшін барометрлік формуланы пайдаланыңыз. Жалпы формула h ≈ 44330 × (1 − (P/Po)^0,1903), мұндағы Po – теңіз деңгейіндегі анықтамалық қысым. Іс жүзінде іске қосу кезінде өлшенген (немесе GPS биіктік деректерімен қамтамасыз етілген) анықтамалық қысымды Po ретінде пайдаланыңыз және өтемақы үшін сенсордың температура көрсеткішін қолданыңыз. Шығуды тегістеу және шуды азайту үшін жылжымалы орташа немесе Калман сүзгісін пайдалануға болады.
Дайвинг есептеу алгоритмі
Сүңгу режимінде гидростатикалық қысымнан тереңдікті есептеңіз: D ≈ (P - P0)/(ρ·g). Мұнда Р0 - суға түсудің басында тіркелетін жер бетіндегі атмосфералық қысым. Тұщы судың ρ тығыздығы шамамен 1000 кг/м³ (теңіз суы үшін сәл жоғары) және температура тығыздыққа да әсер етеді. Жеңілдетілген ереже әрбір 100 гПа тұщы судың шамамен 1 метр тереңдігіне сәйкес келеді. Жүйе нақты уақыт режимінде қысымды үздіксіз өлшеп, тереңдікті жаңартуы керек.
Экологиялық компенсация факторлары
Дәлдікті жақсарту үшін қоршаған орта факторларының орнын толтырыңыз. Сенсордың орнатылған температура көрсеткіші температураның өзгеруіне байланысты қысымның ауытқуын түзете алады. Биіктік режимінде ылғалдылықтың ауа тығыздығына әсерін қарастыруға болады. Дайвинг режимінде судың температурасы мен тұздылықтың тығыздыққа әсерін ескеріңіз (мысалы, теңіз суының тығыздығы тұщы судан сәл жоғары). Бұған қоса, қысым деректеріне төмен жиілікті сүзгіні қолдану немесе орташалау қысқа мерзімді бұзылуларды жоюға және нәтижелерді тұрақтандыруға болады.
Түйіндеме
Бір құрылғыда биіктік пен суға түсу тереңдігін өлшеу үшін MEMS абсолютті қысым сенсорын пайдалану әр режим үшін әртүрлі қысым диапазондарын, дәлдік қажеттіліктерін және алгоритмдерді шешуді қажет етеді. WF282A жоғары дәлдігімен, төмен қуатымен, ықшам пакетімен және кірістірілген FIFO көмегімен қос режимді өлшеу үшін күшті аппараттық негізді қамтамасыз етеді. Дизайн кезінде ПХД орналасуына және дәнекерлеуге, қысым портын таза ұстауға және мұқият тестілеу мен калибрлеуге назар аудару керек. Қоршаған ортаның дұрыс компенсациясын (температура мен тығыздық сияқты) қолдану арқылы құрылғы биіктік пен суға түсу режимдері арасында үздіксіз ауыса алады және дәл өлшемдерге қол жеткізе алады.
Жоғарыда келтірілген кіріспе тек қысым сенсорының технологиясының қолданбаларының бетін көрсетеді. Біз әртүрлі өнімдерде қолданылатын сенсорлық элементтердің әр түрлі түрлерін, олардың қалай жұмыс істейтінін және олардың артықшылықтары мен кемшіліктерін зерттеуді жалғастырамыз. Егер сіз осы жерде талқыланғаныңыз туралы толығырақ болғыңыз келсе, осы нұсқаулықта тиісті мазмұнды кейінірек тексере аласыз. Егер сіз уақытылы бассаңыз, осы нұсқаулықтардың мәліметтерін жүктеу үшін мына жерді басуға болады Ауа қысымы сенсоры PDF деректері.
Басқа сенсорлық технологиялар туралы қосымша ақпарат алу үшін өтінемін Біздің сенсорлар парағын кіріңіз.
