霍尼威爾PPT智能壓力傳感器及其應(yīng)用

傳感器是霍尼威爾公司生產(chǎn)的高品質(zhì)壓力傳感器。可廣泛用于工業(yè)、航天、軍事、醫(yī)療器械、大氣環(huán)保檢測(cè)及家電等領(lǐng)域。文中介紹了PPT系列傳感器的特點(diǎn)、參數(shù)和引腳功能。最后介紹了PPT系列精密智能壓力傳感器的應(yīng)用電路及設(shè)置方法。

根據(jù)半導(dǎo)體的硅阻效應(yīng)，在硅膜片上施加壓力將引起阻值的變化。這一點(diǎn)與應(yīng)變片的100倍，因此，它不會(huì)永久地伸展，而能在應(yīng)力消失后又恢復(fù)原來(lái)的形狀。作為壓力傳感膜片，硅優(yōu)于金屬，因?yàn)楣柙诠ぷ鞣秶鷥?nèi)有著特別好的彈性，通常只有硅片破裂才會(huì)停止正常工作。作為壓力傳感器的專業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，美國(guó)霍尼威爾公司生產(chǎn)的高品質(zhì)PPT智能壓力傳感器已在工業(yè)、航天、軍事、醫(yī)療器械、大氣環(huán)保檢測(cè)及家電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 壓力傳感器的選型

在選用壓力傳感器時(shí)，應(yīng)主要考慮其測(cè)量兼容性和影響壓力傳感器性能的誤差因素。

1.1 測(cè)量兼容性

在進(jìn)行壓力傳感器選擇之前，應(yīng)首先考慮材料、化學(xué)物質(zhì)、濃度、溫度、暴露時(shí)間、暴露形式、故障準(zhǔn)則和一般信息等方面的因素。同時(shí)還應(yīng)考慮應(yīng)用環(huán)境、

器件保護(hù)和在該區(qū)域的其它設(shè)備器件，以保證工作環(huán)境能夠滿足它的使用要求。

1.2 壓力傳感器性能的誤差影響

對(duì)壓力傳感器性能誤差的影響主要包括以下幾點(diǎn)：

零點(diǎn)偏置；

零點(diǎn)溫度漂移；

靈敏度偏移；

線性誤差；

重復(fù)性誤差。

表1 PPT壓力傳感器的量程范圍

2 PPT 系列智力壓力傳感器的特點(diǎn)

霍尼威爾分司的精密智能壓力傳感器有PPT型和PPT-R型兩種系列，其中PPT適用于干性氣體，而PPT-R則帶有不繡鋼隔膜，適用于對(duì)腐蝕性介質(zhì)的測(cè)量。PPT系列傳感器綜合了模式擬傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，可由用戶自己決定是否使用和怎樣使用智能功能。每個(gè)PPT傳感器均可在全溫區(qū)和全壓略范圍內(nèi)對(duì)其數(shù)字輸出和模擬輸出進(jìn)行精確定標(biāo)。因此，它是一個(gè)既非常精確又標(biāo)準(zhǔn)的模擬電壓輸出裝置，也是一個(gè)完善的、具有地址的數(shù)字傳感器，并可在RS232總線上許多傳感器一起聯(lián)網(wǎng)使用。PPT傳感器可以幫助用戶向數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)過(guò)渡，而不用增加新的昂貴的硬件設(shè)備。該系列傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PPT系列精密智能壓力傳感器的主要特點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

可組態(tài)的傳感器

PPT傳感器具有優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性；其壓力信號(hào)可由單片機(jī)設(shè)置為數(shù)字輸出模式，也可以設(shè)置為模擬輸出模式。這些特點(diǎn)使得PPT傳感器可作為一個(gè)高精度的標(biāo)準(zhǔn)模擬裝置而不需要連接數(shù)字通訊線路；作為一個(gè)用戶可組態(tài)的模擬傳感器，用戶可通過(guò)RS232總線給PPT組態(tài)，然后在現(xiàn)場(chǎng)作為模擬摶 使用；而作為一個(gè)智能型且具有地址的數(shù)字輸出傳感器，它可進(jìn)行雙向通訊。該壓力傳感器可單獨(dú)工作，也可作為傳感器網(wǎng)絡(luò)上的一點(diǎn)。

標(biāo)準(zhǔn)的模擬壓力傳感器

在許多應(yīng)用中，PPT傳感器可直接作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模擬傳感器。它只需加上5.5～30V的電壓和壓力源即可.由于其內(nèi)部壓力敏感器件的重復(fù)性非常好并可利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字補(bǔ)償,因而可獲得很高的穩(wěn)定性和精度.在-40～+85℃的溫度范圍內(nèi)，PPT傳感器具有0.05%FS的典型精度。

用戶可組態(tài)的模擬傳感器

利用RS232串口總線，用戶可通過(guò)PC發(fā)布指明令亞改變PPT傳感器的任何一個(gè)參數(shù)。所有組態(tài)的變化均可存放在PPT傳感器內(nèi)部的EEPROM中，并可由用戶可任意設(shè)計(jì)或取消。同時(shí)要可以通過(guò)幾條簡(jiǎn)單的指令來(lái)根據(jù)各種不同的需要對(duì)模擬輸出進(jìn)行修改，如進(jìn)行最大和最小模擬輸出電壓的調(diào)節(jié)以及壓力量程的壓縮等。

帶有地址的智能傳感器

在數(shù)字串口通訊模式下工作時(shí)，PPT傳感器具有更多的方法解決壓力測(cè)量中的問(wèn)題。但應(yīng)注意：由于壓力信號(hào)首先需要經(jīng)過(guò)數(shù)字化外理，所以數(shù)字輸出模式的組態(tài)可能會(huì)影響到模擬輸出的模式。

壓力單位可選擇

除基本單位psi（每平英寸承受的壓力）外，PPT傳感器具有12種壓力單位可供選擇，其中包括大氣壓、巴、厘米汞柱、英尺水柱、英尺汞柱、英寸水柱、kg/cm2u27627毫巴、毫米汞柱、Mpau31859米汞柱等。另外，它還預(yù)認(rèn)有一個(gè)用戶自定義單位，因此，用戶不必不可為單位換算進(jìn)行額外的浮點(diǎn)運(yùn)算。Psi和其它單位之間的換算關(guān)系如下：

1psi=27.68英寸水柱（在0℃）

1psi=51.714毫米汞柱（在0℃）

1psi=27.73英寸水柱（在20℃）

1psi=6.8946×10-2巴

1psi=703.05毫米水柱（在0℃）

1psi=6.8946×103巴Pa

1psi=704.33毫米水柱（在25℃）

采樣速率可調(diào)

PPT傳感器可對(duì)每次測(cè)量的壓力信號(hào)進(jìn)行積分,積分時(shí)間可在8ms至12s之間選擇。這樣可以提高數(shù)字控制系統(tǒng)在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性和抗干擾能力。

跟蹤輸入變化

有時(shí)用戶需要在壓力發(fā)生快速變化時(shí)使采樣速率隨之加速，因此，該P(yáng)PT可以設(shè)定2倍加速。用戶可設(shè)置一個(gè)閥值，當(dāng)壓力在閥值范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，采樣速率自動(dòng)加速，當(dāng)壓力在一個(gè)新的水平上穩(wěn)定下來(lái)年采樣速率以恢復(fù)原樣。

降低壓力讀數(shù)速率

當(dāng)壓力緩慢變化或者不變時(shí)，用戶可以降低輸出讀數(shù)速率。這樣PPT傳感器可以跳過(guò)255個(gè)讀數(shù)而使兩次輸出時(shí)間相隔51分，這種功能稱為空閑計(jì)數(shù)功能。PPT傳感器還可以設(shè)置為只有在壓力變化時(shí)（超過(guò)認(rèn)定閥值）才輸出或只有當(dāng)上位機(jī)查詢時(shí)才輸出等其它工作模式。

PPT通過(guò)RS232總線聯(lián)網(wǎng)

一臺(tái)PC機(jī)最多可掛接89個(gè)PPT傳感器，每個(gè)PPT傳感器具有一個(gè)獨(dú)立的地址。利用這種網(wǎng)絡(luò)模式，用戶可以和一個(gè)傳感器、一組傳感器或網(wǎng)絡(luò)上所有的傳感器通訊。

外部控制模擬輸出

PPT傳感器的模擬輸出電壓可由上位機(jī)通過(guò)RS232串口控制，在這種模式下，PPT傳感器通過(guò)數(shù)字口輸出壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)，上位機(jī)也可以對(duì)PPT壓力傳感器的D/A輸出以及與測(cè)量壓力無(wú)關(guān)的模擬、電壓進(jìn)行控制。

3 PPT壓力傳感器的引腳及參數(shù)

PPT系列精密智能型壓力傳感器的主要參數(shù)如下：

電源電壓范圍：5.5～30VDC；

量程：PPT系列智能壓力傳感器的量程如表1所列；

溫度輸出精度在±0.5℃以內(nèi)；

模擬輸出電壓范圍：0～5V（用戶可調(diào)節(jié)）；

短路電流：最大10mA；

工作輸出電流：最大0.5mA；

負(fù)載電阻：最小10kΩ；

數(shù)字輸出波特率：1200，2400，4800，9600，14400，19200，28800；

數(shù)據(jù)格式：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位；

奇偶校驗(yàn)：無(wú)奇偶校驗(yàn)，奇校驗(yàn)，偶校驗(yàn)；

握手協(xié)議：不支持；

可接觸的介質(zhì)：

PPT的P1口（壓力口）適用于所有玻璃、304不繡鋼、Sn/Ag焊劑、環(huán)氧樹(shù)脂、黃銅、硅型O型環(huán)的液體及氣體。其管內(nèi)徑為0.6mm。而PPT傳感器的P2口（參考口）則適用于非常接觸、不易燃、非腐蝕性氣體。

PPT-R的壓力口與介質(zhì)的接觸面為316不繡鋼。

PPT 系列傳感器的管腳排列如圖2所示，其引腳定義如下：

腳1：RS-232發(fā)送（TD）；

腳2：RS-232接收（RD）；

腳3：機(jī)殼接地；

腳4：電源和信號(hào)公共地；

腳5：DC電源輸出；

腳6模擬輸出。

4 PPT系列智能壓力傳感器的應(yīng)用

在具體使用時(shí)，對(duì)于模擬輸出的PPT傳感器要求一點(diǎn)接地，這樣可以減小噪聲，也就是說(shuō)，測(cè)量模擬輸出的儀器（如數(shù)字電壓表）的參考地應(yīng)該直接連接到PPT的信號(hào)地。另外，電源地也必須直接到PPT傳感器的信號(hào)地。

對(duì)于PPT傳感器的大多數(shù)測(cè)量參數(shù)和輸出特性，用戶都可以重新進(jìn)行定義。下面就列舉幾個(gè)如何定義模擬輸出特性的例子。

4.1 輸出模擬電壓控制

PPT傳感器能夠把高低電平門限值按50mV的增量步長(zhǎng)設(shè)置成0-5V之間的任何一個(gè)值。使用DB-9或DB-25針連接器可以把PPT的三個(gè)管腳連接到計(jì)算機(jī)的并口上，其連接對(duì)應(yīng)關(guān)系和表2所示。

表2 通訊線纜連接表

PPT傳感器默認(rèn)的通訊設(shè)置波特率為9600bps，8個(gè)數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，一個(gè)停止位。用戶通過(guò)一個(gè)終端應(yīng)用程序可以重新定義PPT傳感器的零點(diǎn)壓力和滿量程輸出電壓。但終端應(yīng)用程序端的通訊設(shè)置必須和PPT傳感器保持一致。

當(dāng)PPT傳感器加上電源后，它就會(huì)自動(dòng)傳輸一個(gè)描述PPT傳感器范圍和類型的啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)機(jī)器準(zhǔn)備好后，輸入下列命令并等待響應(yīng)，即可確認(rèn)計(jì)算機(jī)和PPT傳感器之間的通訊是否準(zhǔn)備好。符號(hào)（cr）表示按ENTER或RETURN鍵：

輸入：﹡99S=（cr）

PPR 響應(yīng)：？01S=00052036

如果一個(gè)PPT壓力傳感器的壓力范圍為0psi～20psi，輸出范圍為0V～5V，參照下面的例子即可將新的零點(diǎn)壓力輸出電壓定義為1V，滿量程輸出電壓定義為4.85V：

輸入 注釋

*00VE=RAM（cr） ； 寫(xiě)使能

*00L=20（cr）； 設(shè)置零點(diǎn)為1V

*00H=97（cr）； 設(shè)置滿量程為4.85V

*00DA=ON（cr）； 打開(kāi)模擬輸出

*OOAN=ON（cr）； 打開(kāi)用戶電壓設(shè)置

*OOWE=（cr）； 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM有效

*OOSP=ALL（cr）； 把改變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM

至此，PPT傳感器的模擬電壓輸出范圍便被設(shè)置為1V～4.85V。

如果PPT壓力傳感器的范圍為12psi～16psi,它本來(lái)的壓力量程為0psi～20psi，這樣，在數(shù)字模式下，可以通過(guò)使用壓力窗口（W）和偏置（O）命令來(lái)對(duì)壓力量程進(jìn)行重新定義。方式如下：

輸入 注釋

*00WE=RAM（cr） ； 寫(xiě)使能

*000=60（cr）； 設(shè)置起始?jí)毫闈M量程的60%

*00W=20（cr）； 設(shè)置壓力窗口為滿量程的60%

*00WE=（cr）； 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM有效

*OOSP=ALL（cr）； 把改變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM

通過(guò)上面兩個(gè)例子，壓力傳感器就可在12 psi時(shí)輸出1V而在16 psi時(shí)輸出4.85V。

4.2 遠(yuǎn)程檢測(cè)控制

如果要使用一個(gè)繪圖儀或其它模擬輸出設(shè)備來(lái)記錄和監(jiān)視遠(yuǎn)端的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，那么，一個(gè)有效的方法就是通過(guò)RS232總線讓PPT1壓力傳感器傳輸一個(gè)數(shù)字壓力信號(hào)到繪圖儀，然后在靠近繪圖儀的傳感器PPT2上把這個(gè)信號(hào)還原成模擬信號(hào)，圖3所示是一個(gè)遠(yuǎn)程壓力檢測(cè)控制系統(tǒng)的連接圖。由于RS232總線具有很好的抗噪聲能力和很低的連接損耗，因此，用戶可以把兩個(gè)PPT傳感器之間的距離擴(kuò)展到幾公里。

使用兩個(gè)PPT傳感器來(lái)進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)控制是一種簡(jiǎn)單并且快速的實(shí)現(xiàn)方法，該方法對(duì)軟件沒(méi)有什么特殊要求。使用這種技術(shù)可以同時(shí)在RS232總線上掛接9個(gè)PPT傳感器，但在上電前，必須對(duì)傳感器進(jìn)行下述定義：

輸入 注釋

（對(duì)PPT1的命令）

*00WE=RAM（cr） ； 寫(xiě)使能

*00ID=01（cr）； 設(shè)置器件ID為1

*01ID=91（cr）； 設(shè)置組ID號(hào)為91

*01DA=U（cr）； 設(shè)置為數(shù)字壓力輸出模式

*O1MO=P4（cr）； 二進(jìn)制輸出模式

*O1SP=ALL（cr）； 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM有效

*OOSP=ALL（cr）； 把改變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM

（對(duì)PPT2的命令）

*00WE=RAM（cr） ； 寫(xiě)使能

*00ID=02（cr）； 設(shè)置器件ID為2

*02ID=91（cr）； 設(shè)置組ID號(hào)為91

*02DA=R（cr）； 設(shè)置為數(shù)字轉(zhuǎn)換成模擬輸出模式

*O2NE=DAC（cr）； 寫(xiě)DAC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器有效

*O2WE（cr）； 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM有效

*O2SP=ALL（cr）； 把改變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM

另外，通過(guò)RS232總線可以將一個(gè)PPT連接到另外的PPT組上，但是要給每組定義一個(gè)唯一的組號(hào)，組號(hào)可以從90到98。

4.3 4-20mA電流環(huán)過(guò)程控制

4-20mA電流環(huán)接口在很多工業(yè)處理控制和工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。采用電流環(huán)輸出在工廠環(huán)境中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播具有很好的抗干擾性能。

圖4所示是選用一個(gè)AD694（4-20mA電流轉(zhuǎn)換器）和一個(gè)電容器來(lái)完成這項(xiàng)工作的電路圖。

該設(shè)計(jì)將40英寸水柱（1.5psi）時(shí)的輸出定義為4mA，把400英寸水柱（15psi）

時(shí)的輸出設(shè)定為20mA。如果讀取壓力的積分時(shí)間設(shè)定為1秒，則可以大大減少噪聲。把PPT連接到計(jì)算機(jī)上可通過(guò)輸入以下命令來(lái)實(shí)現(xiàn)：

*00WE=RAM（cr） ； 寫(xiě)使能

*00DU=INWC（cr）； 設(shè)置單位為inwc(英寸水柱)

*00DA=B（cr）； 壓力傳感器輸出模擬信號(hào)

*00F=400（cr）； 設(shè)置滿量程為400inwc

*OOW=90（cr）； 設(shè)置壓力窗口為360inwc（90%FS）

*OOO=10（cr）； 設(shè)置壓力偏置為40inwc（10%FS）

*OOH=40（cr）； 設(shè)置輸出最大為2V

*00AN=ON（cr）； 輸出范圍40～400inwc，0～2V

*O0I=M10（cr）； 設(shè)置積分時(shí)間為1秒

*O0WE（cr）； 把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM有效

*O0SP=ALL（cr）； 把改變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到EEPROM

PPT系列智能壓力傳感器以其優(yōu)良的性能、靈活的組態(tài)、合理的價(jià)格而在航空儀表、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)及過(guò)程控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。