Wykorzystanie zaawansowanych czujników ciśnienia w aplikacjach IoT
| TechnikaCzujniki ciśnienia są obecnie szeroko stosowane w wielu aplikacjach, takich jak drony i automatyka przemysłowa oraz w wielu produktach z obszaru elektroniki mobilnej. We wszystkich tych zastosowaniach konieczne jest zapewnienie wysokiej dokładności pomiaru, odporności na zakłócenia i stabilności temperaturowej, przy niższych kosztach i krótszym czasie wprowadzania na rynek. Aby sprostać tym wyzwaniom, dostawcy czujników ciśnienia zintegrowali w nich innowacyjne nowe funkcjonalności i wersje obudowy, dodali do czujników elektronikę z różnymi interfejsami, które znacząco przyczyniają się do prostoty projektowania i większej integracji układów pomiarowych ciśnienia.
Niniejszy artykuł prezentuje rozwiązania techniczne nowoczesnych zintegrowanych czujników ciśnienia oraz pokazuje sposoby radzenia sobie z takimi problemami, jak właściwa kompensacja temperatury niezbędna do zapewnienia wysokiej dokładności.
Ewolucja czujników ciśnienia
Przez wiele lat czujniki ciśnienia były urządzeniami elektromechanicznymi. Z czasem wersje takie ustąpiły miejsca tańszym, półprzewodnikowym komponentom MEMS, które nie tylko są wielkości chipu, ale też mogą mierzyć bardzo małe różnice ciśnień rzędu jednego paskala (Pa). Dzięki wbudowanym interfejsom mogą przesyłać dane do mikrokontrolera za pośrednictwem łącza I²C lub SPI i zużywają znacznie mniej energii.
W czujniku ciśnienia MEMS siła jest przykładana do elastycznej membrany, która odchyla się od stanu równowagi. To odchylenie jest przekształcane na proporcjonalny sygnał napięciowy na wyjściu mostka, a dalej na postać cyfrową. W zależności od wersji czujniki MEMS-owe mierzą zarówno ciśnienie bezwzględne, jak i różnicę ciśnień oraz występują w wersji skompensowanej i nieskompensowanej.
Czujniki ciśnienia do aplikacji IoT
Ostatnie zmiany technologiczne spowodowały, że czujniki ciśnienia stały się znacznie dokładniejsze, lżejsze i tańsze, a także rozszerzyły się ich możliwości pomiarowe. Innowacje te są odpowiedzią producentów na wymagania stawiane przez nowe aplikacje w obszarze IoT oraz w elektronice noszonej, takiej jak opaski sportowe mierzące spalone kalorie lub oceniające wydajność treningów.
W niektórych zastosowaniach czujniki ciśnienia zwiększają dokładność lokalizacji lub też pomagają wykryć specyficzną aktywność użytkownika. Sensory do takich celów muszą być przede wszystkim bardzo małe oraz pobierać znikomą moc, aby mogły monitorować ciśnienie możliwie często i być zasilane przez długi czas z baterii o małej pojemności.
Dobrym przykładem czujnika MEMS do takich zastosowań jest LPS22HB firmy STMicroelectronics (rys. 1). Jest to czujnik klasy nano z wyjściem cyfrowym mierzący ciśnienie absolutne w zakresie od 260 do 1260 hPa. Ma on bardzo małą obudowę LGA o wymiarach 2×2×0,76 mm i pobiera tylko 3 μA prądu przy zasilaniu napięciem od 1,7 do 3,6 V. W jego obudowie wykonany jest otwór pozwalający na połączenie membrany pomiarowej z elementem wykrywającym.
Czujnik LPS22HB ma piezorezystywny element pomiarowy, a dane pomiarowe udostępnia za pomocą interfejsu I²C lub SPI z wbudowanym stosem FIFO dla kolejnych pomiarów. Jest wyposażony w obwody kompensacji temperatury i ciśnienia (rys. 2).
Zaimplementowany bufor FIFO ma pojemność 32 komórek dla kolejno zmierzonych 40-bitowych danych o ciśnieniu i temperaturze. Pozwala na znaczną oszczędność energii, ponieważ host nie musi ciągle odpytywać czujnika, tylko robić to znacznie rzadziej.
Odczyt pełnego stosu może być także inicjowany za pomocą przerwania. Projektant może wybrać jeden z 7 trybów pracy: bypass, FIFO, stream, dynamic stream, stream-to-FIFO, bypass-to-stream i bypass-to-FIFO. Te poszczególne opcje umożliwiają wygodną organizację procesu akwizycji danych, z wykorzystaniem bufora na dane lub bez niego.
LPS22HB wymaga dołączenia z zewnątrz jedynie pojedynczego kondensatora 100 nF blokującego zasilanie na końcówce 10 (VDD) (rys. 3). Ponadto, gdy używany jest interfejs I²C, linia CS (pin 6) musi być powiązana z VDD_IO (pin 1).
Filtrowanie szumów i nagłych zmian ciśnienia
Użycie czujników ciśnienia w zaawansowanych aplikacjach i osiągnięcie wysokiej dokładności metrologicznej wymaga zwrócenia uwagi na niski poziom wahań ciśnienia, wynikających z zaburzeń wywołanych poruszaniem się obiektu, ruchem powietrza na skutek konwekcji itp. Jest to też istotny problem w konstrukcji smartwatchy i opasek sportowych, gdzie urządzenie jest w ciągłym ruchu, a prawdopodobieństwo powstania nagłych zdarzeń, które powodują szybki i nagły wzrost ciśnienia barometrycznego, też jest relatywnie duże.
Aby zapewnić niewrażliwość pomiarów na wywołane wahania ciśnienia na skutek takich zjawisk, czujnik ciśnienia barometrycznego BMP388 firmy Bosch Sensortec zawiera filtr o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (IIR) (rys. 4). Umożliwia to czujnikowi ciśnienia filtrowanie nagłych zmian spowodowanych zdarzeniami środowiskowymi.
BMP388 jest przeznaczony do wspomagania pomiaru wysokości w smartfonach, smartwatchach i dronach konsumenckich. Jest to 24-bitowy czujnik bezwzględnego ciśnienia barometrycznego o niskim poziomie szumów pracujący w szerokim zakresie pomiarowym od 300 do 1250 hPa ze względną dokładnością szacowania wysokości ±0,66 m (rys. 5).
Jeśli czujnik barometryczny nie może zapewnić stabilizacji pomiaru wysokości w warunkach dynamicznych, takich jak nagłe wahania temperatury, dane barometryczne można łączyć z informacjami z akcelerometru. Do aplikacji, w których wymagane są techniki fuzji danych z czujników w celu uzyskania optymalnej wydajności, Bosch Sensortec oferuje jednostkę czujnika inercyjnego BMI088 (IMU) oraz czujnik geomagnetyczny BMM150 do dostarczania danych o kierunku ruchu.
Pomiar ciśnienia w skrajnych temperaturach
Dokładność i rozdzielczość omawianych sensorów są w praktyce definiowane poprzez zaawansowanie konstrukcji czujnika ciśnienia. Czujnik może pracować zarówno w latającym dronie, jak i na dnie kopalni i poza dużymi wahaniami ciśnienia jest narażony na zmiany temperatury i wilgotności.
W każdej z takich sytuacji wymagane jest zapewnienie wysokiej dokładności metrologicznej. W zastosowaniach takich jak drony informacje o aktualnej wysokości mają kluczowe znaczenie dla stabilności i dokładności lądowania. Stąd dokładność pomiarowa jest jednym z kluczowych parametrów tych układów.
Kompensacja temperatury za pomocą wyrafinowanych algorytmów zapewnia czujnikom ciśnienia MEMS dokładność ±1 Pa, co przekłada się na detekcję zmian wysokości poniżej 5 cm.
Stabilność temperaturowa jest szczególnie ważna w aplikacjach elektroniki zawierających czujnik ruchu, takich jak urządzenia do noszenia, w których temperatura szybko się zmienia, gdy użytkownik przemieszcza się z jednego środowiska do drugiego, zdejmuje lub zakłada urządzenie. Czujnik MPL3115A2 firmy NXP Semiconductors jest dobrym przykładem tego, co można oczekiwać od sensora o takim przeznaczeniu (rys. 6).
MPL3115A2 ma szeroki zakres roboczy pomiaru ciśnienia od 20 do 110 kPa, co pokrywa wszystkie wysokości na powierzchni ziemi. Czujnik jest skompensowany temperaturowo za pomocą wbudowanego sensora temperatury, przy czym dane zarówno na temat ciśnienia, jak i temperatury są multipleksowane, wzmacniane, filtrowane i podawane do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC). Wysokość jest następnie obliczana za pomocą wzoru:
 |
W zależności powyższej h = wysokość w metrach, p0 = ciśnienie na poziomie morza (101 326 Pa), OFF_H = dane wejściowe użytkownika równoważnego ciśnienia na poziomie morza, aby skompensować wpływ lokalnych warunków pogodowych, p = ciśnienie w Pa.
Dane pomiarowe są obrabiane wstępnie w czujniku, aby uniknąć obciążania procesora hosta. Typowy prąd zasilania wynosi 40 μA na sekundę pomiarową dla stabilnej rozdzielczości wyjściowej. Czujnik pozwala na zasilanie napięciem od 1,95 do 3,6 V (wewnętrznie stabilizowane) i pracuje w zakresie temperatur od -40 do + 85°C.
Jeszcze inne właściwości mają czujniki z rodziny TBF firmy Honeywell. Podobnie jak poprzednie, one też bazują na płaskiej membranie, ale mają małą objętość komory pomiarowej i jest ona odporna na płyny. Są przeznaczone do zastosowań takich jak pompy infuzyjne, urządzenia do noszenia, systemy dostarczania leków i w robotyce. Ich konstrukcja jest skompensowana temperaturowo i wewnętrznie skalibrowana. Element pomiarowy nie jest zintegrowany ze wzmacniaczem, dzięki czemu projektanci mogą uzyskać maksymalną rozdzielczość wymaganą dla danej aplikacji z zakresu od 100 kPa do 1 MPa.
Pozostałe aspekty projektowe
Poza dokładnością i stabilnością temperaturową czujników ciśnienia muszą być odporne na substancje chemiczne, takie jak chlor, brom i słoną wodę. Ponadto elementy te powinny być również łatwe w montażu, odporne na narażenia mechaniczne i nie powinny wymagać okresowej kalibracji.
W obszarze łatwego montażu warto dostrzec sensory z rodziny NovaSensor NPA firmy Amphenol, które są wytwarzane w 14-pinowej obudowie SOIC (rys. 7). Elementy te są dostępne w wersji absolutnej i różnicowej, z wyjściami bez kondycjonowania, z wbudowanym wzmacniaczem analogowymi lub wyjściem cyfrowym. Ich zakres pomiaru ciśnienia sięga 30 psi.
Rich Miron
Digi-Key Electronics
