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2023/05/30
液位检测是许多家用电器功能的重要组成部分，例如洗衣机、洗碗机都需要通过控制液位来实现多水位的洗涤方式，以达到节水目的；热水器需要在液位过低时自动补水，防止干烧；咖啡机、啤酒机也需要检测液位来控制流量和出水量。因此，精准的液位检测是帮助实现家用电器相关功能的重要前提和保证。纳芯微电子推出的NSPGD1是一款经过校准的表压液位传感器，可满足家用电器液位高度精确测量需求，使家用电器更加智能。
NSPGD1直击应用痛点
传统的液位测量采用机械测量与光电测量等方式，通常只能简单测量液体有无或粗略测量液位的高低，无法实现高精度的稳定测量。而集成式MEMS压力传感器内置信号调理芯片，集温度补偿和线性补偿于一体，可以很好地弥补传统液位测量精度不高的缺陷。
NSPGD1是纳芯微针对家用电器市场推出的经过校准的表压传感器系列产品。它采用高性能信号调理芯片对MEMS压阻芯体输出进行温度和压力校准和补偿，在保证性能和可靠性的同时对封装进行了集成，易于使用。
NSPGD1与传统电子水位仪的比较
归纳起来，NSPGD1具有四大优势：
一是与传统机械式水位测量方案相比，MEMS压力传感器芯片具有高输出精度（全温区综合精度达1%）、高线性度和高集成度特点，无需过多的外围器件，有助于降低整体方案尺寸、电路复杂性和成本，增加设计的灵活性。特有的频率输出模式和5.45mm直径气嘴便于无缝替代传统机械式洗衣机水位传感器，是洗衣机水位监测功能升级换代的理想选择。
NSPGD1替代的器件
二是NSPGD1采用纳芯微高性能、高可靠性MEMS压阻技术，可无缝实现国产化替代，且在同类产品中输出精度更高，功耗更低，工作温度范围更广，还具有更强的耐爆破压力能力。相对于市面上已有产品，NSPGD1具有更宽的温度范围、更低的工作电流、更为丰富的封装形式，且成本更优，性价比更高。
三是NSPGD1拓展了纳芯微压力传感器系列产品组合，能够满足细分领域中小量程（0～2kPa）的压力检测需求。
四是纳芯微作为国产芯片提供商，能够更好地保证交付，降低客户供应链风险。
NSPGD1系列集成压力传感器可选量程为-10kPa～10kPa（量程可定制），采用带气嘴的DIP8封装形式，方便客户焊接和使用。
适合压力敏感元件结构材料兼容的非腐蚀性气体表压检测适用于非接触式液位检测等应用，也适用于工业及物联网等领域。该系列支持模拟输出/I2C数字输出以及特有的频率输出功能，应用更加灵活。
NSPGD1输出压力值与液位高度呈线性关系，可实时检测输出，且无累积误差，对滴、漏及水流损失进行精确测量，直接替代传统机械式液位传感器，且在直径确定的系统中可替代转子流量计测量流量与体积。其外围接口电路简单，多种数据输出形式可选，方便应用。
NSPGD1的特性及其应用
NSPGD1系列集成压力传感器具有以下产品特性：
·高精度低功耗：高度线性，稳定性好，无需校准，100%温度补偿，器件一致性更好的，常温下输出精度优于±1%F.S.，0℃～70℃全温范围内精度优于±1.5%F.S.，且工作电流小于3mA
·多种输出方式：支持模拟比例输出/数字I2C输出/频率输出三种输出方式，适用于多种应用需求，简单便利，可移植性好。
·气嘴型封装方式：标准型带气嘴DIP8封装（10.4mm×10.4mm），支持正面进气，不易堵塞，芯片内部防水防潮处理，具有较高可靠性与应力消除特性。
·压力量程可定制：-10kPa～+10kPa内量程可定制，最低量程可至2kPa，支持多种压力应用场景，灵活性高。
NSPGD1系列集成压力传感器主要用于液位高度精确测量，它是一款基于硅的压阻效应，并采用先进的MEMS微加工工艺制造的带气嘴集成式表压传感器，气嘴封装结构特别适合洗衣机、净水器、洗碗机等家电用品的液位检测，也可用于按摩椅、智能血压计、制氧机、呼吸机、制氧机、麻醉仪、生物安全柜等医疗电子设备，在压力开关、负压真空检测、气体压力检测等工业工业控制以及物联网等领域的压力检测应用中也有用武之地。
NSPGD1功能框图（I2C输出）
基于NSPGD1压力传感器的液位检测设计方案
NSPGD1以MEMS压阻表压压力芯体作为压力敏感元件，该元件会输出一个与环境压力呈正比例关系的原始信号输出。由内置的调理芯片驱动该敏感元件，并对其原始信号进行放大、温度补偿、线性度补偿，之后输出一个与施加压力呈线性关系的电压信号。
NSPGD1系列支持模拟输出/数字输出（I2C）以及特有的频率输出功能。
NSPGD1模拟输出形式
以比例输出模式为例（输出电压值为电源电压的百分比），该系列模拟输出型芯片针对0kPa～6kPa量程范围，Pmax为6kPa（输出90%VDD），Pmin为0kPa（输出10%VDD），其典型传递函数为：
其中：
Vout是输出电压，单位V；
VDD是输入电压，单位V；
Ptest是待测压力，单位kPa。
下表是典型压力值与输出电压的对照。
典型输入输出图
NSPGD1频率输出形式
该系列频率输出型芯片针对0kPa～6kPa量程范围，Pmax为6kPa（输出90%FS），Pmin为0kPa（输出10%FS），其典型传递函数为：
其中：
FREQ是输出频率，单位KHz；
FS是频率输出满量程值，单位KHz；芯片可配置最大频率至250KHz；
Ptest是待测压力，单位kPa；
NSPGD1 数字（I2C）输出形式
该系列数字（I2C）输出型芯片针对0kPa～6kPa量程范围，其典型传递函数为：
其中：
Pdata为I2C采集的值；
数字（I2C）输出数据具体处理步骤如下：
给芯片上电；
1. I2C将0x30寄存器写为0x0A；
2. 等待3ms；
3. I2C连续读取0x06、0x07、0x08寄存器值，假设读出来的寄存器值分别为data1、data2、data3；
按照如下步骤将0x06（data1）、0x07（data2）、0x08（data3）的寄存器值转换为Pdata
1. D1=data1*65536+data2*256+data3；
2. 若D1>8388607，则Pdata=D1-16777215；
3. 若D1≤8388607，则Pdata=D1；
举例说明：
若0x06、0x07、0x08寄存器的值分别为0x15、0x55、0x56，按照上述步骤，D1=1398102，该D1值小于8388607，则Pdata=1398102，P（Pa）= 500，最终得到压力值为500Pa；
本文中液位检测设计方案是基于I2C数字输出形式的NSPGD1压力传感器。如果想基于NSPGD1实现模拟量或频率输出模式，可以联系纳芯微。
下图是本文采用I2C串行总线通信的应用电路图。I2C串总线一般有两根信号线，一根是双向数据线SDA，另一根是时钟线SCL，均通过4.7K上拉电阻上拉到VDD，GND与VDD有0.1μF滤波电容。
NSPGD1 I2C输出型应用电路图
参考应用结构
NSPGD1参考应用结构如下图所示，NSPGD1传感器通过气管连接至水箱底部，水箱内水位升高或降低的高度将等比例对应液体压强变化。利用NSPGD1高精度传感器可以实时获取水箱内液体高度，进而根据不同家用电器的控制逻辑，实现自动补给或输送水量。
NSPGD1参考应用结构
传感器数据处理
本文中液位检测设计方案是基于I2C数字输出形式的NSPGD1压力传感器，传感器测量数据与液位高度的计算方法如下：
方法一：压力对应高度换算：
其中：P_f为液体在液桶底面产生的压强；ρ为液体密度，假设液桶中为水，则水的密度ρ为1.0*10^3kg/m^3；g为重力加速度9.8m/s；h为液体高度，则液体高度h可由下式得到：
传感器量程0kPa～6kPa，则对应可测量液体高度h范围为：0～0.612.24m；考虑到实际气管安装在液桶底部，蓄水后，有一部分水会进入气管内，这部分水在气管内形成一定压力，导致零点整体漂移，因此，实际使用时需要对0点压力进行补偿。由于气管内径及安装位置的不同，具体offset值需实际测试得到：
方法二：直接标定换算：
通过直接测量标定容器液位高度h与传感器Pdata关系，得到实际高度h与Pdata传递函数，通过Pdata计算得到液位高度，从而避免了中间压力换算引入的误差。
NSPGD1实际应用及水流量计对比测试
NSPGD1实际应用及水流量计对比测试如下表所示。
NSPGD1实际应用及水流量计对比测试
1 |
| 水桶清空，水流量计清0；分别设置水位50mm、200mm、400mm、300mm 并点击运行； |
2 |
| 水面上升至51mm 压力换算水位50mm 流量计水位52mm |
3 |
| 水面上升至 202mm 压力换算水位 200mm 流量计水位 205mm |
4 | | 水面上升至400mm 压力换算水位401mm 流量计水位410mm |
5 | | 水面下降至298mm 压力换算水位299mm 流量计水位308mm |
从上表设置水位高度为50mm、200mm、400mm、300mm的4个测试点，通过测试得到下表的NSPGD1实际应用及水流量计对比测试结果：
从上表可以看出，NSPGD1的测量结果要比水流量计计算得到的结果精度高，四个测试点中：50mm处测量误差最大为-1.96%（绝对误差1mm），但此时水位较低，误差所占此时水位高度比重大；在全量程中，基于对液体压力实时的测量，NSPGD1的测量结果误差不会累积，数据比较均衡，液位高度误差为1～2mm；流量计在运行时间长后由于脉冲累积误差导致误差变大测量误差最大2.68%，绝对误差达到10mm。
NSPGD1单个传感器测量精度0.5%，但由于整个DEMO系统误差包含亚克力液桶刻度不均匀、气管连接不可靠、人眼观察、液体流动引起振动等因素而引入的系统误差，因此，实际应用中液位高度误差可通过合理布置安装及算法补偿得到控制。
结论
基于NSPGD1的液位检测方案外围器件少、精度高、可实时监测，实现对液体的无接触测量，且测量结果无累积误差。NSPGD1是可根据不同客户需求定制不同量程范围传感器，有助于满足不同家用电器液位高度测量需求。
针对客户的进一步需求，纳芯微也在开发更大压力量程的产品，目前工程样品阶段的带气嘴表压集成传感器已达到-100kPa～200kPa，应用于余压检测的双气嘴微差压集成传感器也将陆续推出。
样片申请
如上产品均可提供样片，如需申请样片或订购产品，可拨打电话0512-62601802或邮件至sales@zghfgroupyz.com。更多信息，敬请访问www.zghfgroupyz.com。
