سنسور فشار MCP چیست؟

مفهوم اصلی: پل زدن برند MCP و سنجش فشار

هنگام مواجهه با این اصطلاح سنسور فشار MCP ، درک معنای دوگانه آن در صنعت الکترونیک بسیار مهم است. در درجه اول، "MCP" به یک سری مدارهای مجتمع (ICs) پرکار از Microchip Technology، یک تولید کننده نیمه هادی پیشرو، اشاره دارد. در حالی که ریزتراشه حسگرهای مختلفی تولید می کند، پیشوند "MCP" به طور مشهور با مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، پتانسیومترهای دیجیتال و سنسورهای دما مرتبط است. بنابراین، واقعی، تک تراشه سنسور فشار MCP با پیشوند MCP یک خط تولید استاندارد نیست. در عوض، این اصطلاح معمولاً به یک راه حل سنجش فشار اشاره می کند که از IC های تهویه سیگنال و تبدیل داده ریزتراشه (مانند آپمپ های MCP600x، ADC های MCP3421 یا تراشه های انرژی سنج MCP390x) در قلب خود استفاده می کند. این رویکرد در سطح سیستم یک مبدل فشار آنالوگ حساس (مانند یک پل ویت استون پیزورزیستیو) را با آی سی های MCP با کارایی بالا جفت می کند تا یک سیستم اندازه گیری خروجی دقیق، قابل اعتماد و اغلب دیجیتال ایجاد کند. این تمایز برای مهندسانی که به دنبال اجزای مناسب برای طراحی خود هستند، کلیدی است.

MCP Pressure Sensor

در یک تنظیم معمولی، سیگنال خام سطح میلی ولت از مبدل فشار برای پردازش مستقیم بسیار ضعیف و نویز است. اینجاست که اجزای MCP برتری می یابند. یک تقویت کننده عملیاتی دقیق از سری MCP6xxx می تواند این سیگنال را تقویت کند. سپس یک ADC با وضوح بالا از سری MCP3xxx یا MCP34xx ولتاژ تقویت شده را با کمترین نویز و خطا دیجیتالی می کند. در نهایت، یک میکروکنترلر از طریق SPI یا I2C با ADC ارتباط برقرار می کند تا فشار دیجیتال را به دست آورد. این مدولار، سری MCP زنجیره سیگنال مبتنی بر انعطاف‌پذیری استثنایی برای بهینه‌سازی هزینه، قدرت و عملکرد به طراحان ارائه می‌دهد و آن را به سنگ بنای سیستم‌های اندازه‌گیری فشار مدرن از دستگاه‌های پزشکی گرفته تا کنترل‌های صنعتی تبدیل می‌کند.

راه حل های دیجیتال: رویکرد یکپارچه

روند فناوری حسگر به سمت یکپارچگی بیشتر و ارتباطات دیجیتالی است. در حالی که یک زنجیره سیگنال گسسته انعطاف پذیری را ارائه می دهد، طراحان اغلب به دنبال یک راه حل ساده هستند. اینجاست که درک مفهوم a سنسور فشار خروجی دیجیتال رابط سری MCP ارزشمند می شود. اگرچه ریزتراشه ممکن است یک سنسور فشار دیجیتال یکپارچه با مارک MCP را به بازار عرضه نکند، اما اکوسیستمی که آنها فعال می کنند در هسته آن دیجیتال است. مهندسان با انتخاب یک مبدل فشار با خروجی آنالوگ سازگار و جفت شدن آن با یک MCP ADC که دارای یک رابط دیجیتال مستقیم (SPI یا I2C) است، یک "ماژول سنسور فشار دیجیتال" ایجاد می کنند. رابط دیجیتال نگرانی‌های مربوط به یکپارچگی سیگنال آنالوگ را در فواصل طولانی‌تر حذف می‌کند، سیستم‌افزار میکروکنترلر را با ارائه مقادیر مستقیم دیجیتال ساده می‌کند، و شبکه‌سازی آسان چندین حسگر را در یک گذرگاه مشترک امکان‌پذیر می‌سازد. این رویکرد، اهرم قوی سری MCP از ADC ها، مسیری قابل اعتماد و طراحی پسند برای دیجیتالی کردن داده های فشار فراهم می کند، که برای دستگاه های IoT، تجهیزات صنعتی هوشمند و هر سیستمی که در آن جمع آوری داده های دیجیتال ترجیح داده می شود، ضروری است.

درک رابط دیجیتالی سنسور فشار خروجی سری MCP

پیاده سازی الف خروجی دیجیتال برای سنجش فشار با استفاده از آی سی های MCP معمولاً پروتکل SPI (رابط محیطی سریال) یا I2C (مدار یکپارچه) را شامل می شود. به عنوان مثال، MCP3201 (ADC 12 بیتی) از SPI استفاده می کند که به خطوط انتخاب چیپ (CS)، ساعت سریال (SCK) و داده های ورودی/خروجی (DIN/DOUT) نیاز دارد. این ارتباط سریع و تمام دوبلکس ایده آل برای نمونه برداری با سرعت بالاتر را فراهم می کند. برعکس، MCP3421 (ADC 18 بیتی) از I2C استفاده می کند که تنها به دو خط دو طرفه (SDA و SCL) نیاز دارد که برای ذخیره پین ​​های میکروکنترلر و اتصال چندین دستگاه در یک گذرگاه مناسب است. انتخاب بستگی به اولویت های سیستم دارد:

• SPI (به عنوان مثال، MCP3201، MCP3008): انتقال داده سریع تر، زمان بندی پروتکل ساده تر، تمام دوبلکس. بهترین برای کاربردهای تک سنسور یا پرسرعت.
• I2C (به عنوان مثال، MCP3421، MCP9800): از سیم های کمتری استفاده می کند، از شبکه های چند دستگاهی پشتیبانی می کند، دارای آدرس دهی داخلی است. ایده آل برای سیستم هایی با سنسورهای متعدد یا ورودی/خروجی محدود.

انتخاب رابط مستقیماً بر پیچیدگی چیدمان PCB، توسعه سیستم عامل و معماری کلی سیستم تأثیر می گذارد و آن را به یک تصمیم اساسی در طراحی یک گره سنجش فشار دیجیتال تبدیل می کند.

برنامه های کاربردی با کارایی بالا: خواسته های سیستم های صنعتی

در محیط‌های صنعتی، اندازه‌گیری فشار صرفاً به دست آوردن یک قرائت نیست. این در مورد تضمین داده های طولانی مدت و قابل اعتماد در شرایط سخت است. تعیین سیستمی که به عنوان یک مبدل فشار MCP با دقت بالا برای نظارت صنعتی نیاز به توجه دقیق به پارامترهای فراتر از وضوح اصلی دارد. این سیستم‌ها اغلب از مبدل‌های فشار با درجه بالا و ایزوله استفاده می‌کنند که خروجی‌های آنها توسط اجزای زنجیره سیگنال MCP قوی شرطی‌سازی و دیجیتالی می‌شوند. تمایزهای کلیدی عملکرد عبارتند از پایداری طولانی مدت - توانایی سنسور برای حفظ کالیبراسیون خود در طول ماه ها یا سال ها و به حداقل رساندن رانش. جبران دمای جامع نیز بسیار مهم است، که اغلب هم در مبدل و هم از طریق الگوریتم‌های نرم‌افزاری اجرا می‌شود که از داده‌های یک حسگر دما جداگانه (به طور بالقوه MCP9800) برای تصحیح فشار خواندن استفاده می‌کنند. علاوه بر این، مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) بسیار مهم است که از طریق محافظت دقیق PCB، فیلتر کردن با آپمپ های MCP و استفاده از منابع تغذیه ایزوله و مسیرهای سیگنال به دست می آید. انطباق با استانداردهایی مانند IEC 61000-6-2 (مصونیت صنعتی) ممکن است برای استقرار در محیط های دارای گواهی لازم باشد.

راه حل خود را بسازید: مسیر طراحی گسسته

برای برنامه‌هایی که نیاز به سفارشی‌سازی نهایی، عملکرد بهینه یا کنترل هزینه در حجم‌های بالا دارند، مسیر طراحی گسسته از اهمیت بالایی برخوردار است. یک مثال کلاسیک طراحی یک مدار در اطراف است MCP3421 با طراحی مدار سنسور فشار . MCP3421 یک ADC دلتا سیگما 18 بیتی با نویز بسیار کم و وضوح بالا است که برای ثبت تغییرات ظریف سیگنال از یک مبدل فشار دقیق ایده آل است. فرآیند طراحی شامل چندین مرحله حیاتی است. ابتدا، خروجی میلی ولت از پل پیزورزیستیو باید توسط یک تقویت‌کننده ابزار دقیق کم نویز و رانش کم (که می‌تواند با آپامپ‌های MCP6Vxx ساخته شود) تقویت شود تا با محدوده ورودی ADC مطابقت داشته باشد. سپس، یک مرجع ولتاژ دقیق، مانند MCP1541، برای تعیین خط پایه اندازه گیری ADC استفاده می شود که مستقیماً بر دقت تأثیر می گذارد. خود MCP3421، با رابط I2C و بهره قابل برنامه ریزی، برای جلوگیری از جفت شدن نویز، به دنبال دستورالعمل های دقیق چیدمان متصل می شود. این رویکرد به مهندسان اجازه می‌دهد تا پهنای باند، فیلتر کردن و مصرف انرژی را دقیقاً تنظیم کنند و در نتیجه یک سفارشی سفارشی سنسور فشار راه حلی که می تواند برای کاربردهای خاص و سخت مانند ابزار دقیق آزمایشگاهی یا کنترل پنوماتیک دقیق، عملکرد بهتری از بسیاری از ماژول های خارج از قفسه داشته باشد.

اطمینان از دقت: کالیبراسیون و اعتبارسنجی عملکرد

صرف نظر از اجزای مورد استفاده، دقت اعلام شده هر سیستم اندازه گیری بدون کالیبراسیون مناسب بی معنی است. در حالی که عبارت جستجو دقت و کالیبراسیون سنسور فشار MCP9800 به یک سنسور دما اشاره می کند، یک نیاز جهانی را برجسته می کند: درک و تأیید صحت سنسور. برای یک سیستم سنجش فشار ساخته شده با اجزای MCP، کالیبراسیون فرآیند نگاشت خروجی دیجیتال آن (از ADC) به ورودی های فشار فیزیکی شناخته شده است. یک کالیبراسیون آفست تک نقطه ای ساده خطای صفر ثابت را تصحیح می کند. با این حال، برای دقت بالا در یک محدوده، کالیبراسیون چند نقطه ضروری است. این شامل اعمال چندین فشار شناخته شده (از یک تستر وزن مرده کالیبره شده یا استاندارد دیجیتال) در سراسر محدوده عملیاتی، ضبط خروجی های ADC و ایجاد یک منحنی تصحیح (خطی یا چند جمله ای) است. این منحنی در میکروکنترلر سیستم ذخیره می شود و برای تمام قرائت های بعدی اعمال می شود. معیارهای کلیدی از یک دیتاشیت، مانند غیرخطی یکپارچه (INL) برای MCP ADC یا خطای مقیاس کامل برای سیستم، دقت نهایی قابل دستیابی پس از کالیبراسیون را تعریف می کند. اعتبارسنجی منظم در برابر یک استاندارد تضمین می کند که سیستم عملکرد مشخص خود را در طول زمان حفظ می کند، که در کاربردهای پزشکی، هوافضا یا کنترل فرآیند بسیار مهم است.

پیمایش در نمونه کارها: راهنمای انتخاب استراتژیک

با مجموعه وسیعی از مبدل های فشار و IC های پشتیبانی کننده MCP در دسترس، یک رویکرد سیستماتیک مورد نیاز است. این راهنمای انتخاب سنسور فشار خلاء ریزتراشه MCP چارچوب استراتژیک را ترسیم می کند. ابتدا شرط اساسی را تعریف کنید: محدوده فشار (به عنوان مثال 0-100 psi یا 14.7- تا 0 psi برای خلاء) و نوع (مطلق، گیج، دیفرانسیل). این مبدل را انتخاب می کند. سپس، سازگاری رسانه را ارزیابی کنید - آیا سنسور با هوا، آب، روغن یا گاز خورنده تماس خواهد داشت؟ این ماده دیافراگم مبدل را تعیین می کند. سپس، خروجی مبدل را تجزیه و تحلیل کنید: آیا این یک سیگنال نسبت سنجی mV/V است یا یک خروجی 0-5V/4-20mA شرطی؟ این زنجیره سیگنال مورد نیاز را دیکته می کند. برای سیگنال mV ضعیف، برای تقویت به یک آپمپ خودکار صفر MCP6Vxx نیاز دارید. برای دیجیتالی کردن، یک MCP ADC بر اساس وضوح مورد نیاز (به عنوان مثال، 12 بیت MCP3201 برای پایه، 18 بیت MCP3421 برای وضوح بالا) و رابط (SPI/I2C) انتخاب کنید. برای اندازه گیری های خلاء یا فشار بسیار کم، اجزای کم نویز و پایداری افست استثنایی حیاتی می شوند. در نهایت، همیشه آخرین برگه‌های داده ریزتراشه و یادداشت‌های کاربردی را برای طرح‌های مرجع، که منابع ارزشمندی برای پیاده‌سازی قوی هستند، رجوع کنید. سنسور فشار MCP راه حل

سوالات متداول

آیا می توانم از MCP ADC با هر سنسور فشار آنالوگ استفاده کنم؟

در اصل، بله، هر سنسور فشار آنالوگ با خروجی ولتاژ را می توان با یک MCP ADC مناسب متصل کرد، اما یکپارچه سازی موفقیت آمیز نیاز به مشخصات منطبق دارد. باید اطمینان حاصل کنید که محدوده ولتاژ خروجی سنسور در محدوده ورودی ADC قرار دارد (اغلب 0 ولت تا VREF). اگر سیگنال خیلی کوچک باشد (به عنوان مثال، چند میلی ولت از یک پل پیزورزیستیو)، به یک تقویت کننده دقیق مانند MCP6Vxx بین سنسور و ADC نیاز دارید. علاوه بر این، امپدانس خروجی سنسور و نرخ نمونه برداری ADC را در نظر بگیرید. یک منبع با امپدانس بالا ممکن است به تقویت کننده بافر برای جلوگیری از خطاهای اندازه گیری در مرحله نمونه برداری ADC نیاز داشته باشد. همیشه مدار رابط را با سنسور خاص و برگه های داده ADC در دست طراحی کنید تا ولتاژهای افست، جریان های بایاس و ویژگی های نویز را در نظر بگیرید.

تفاوت بین سنجش فشار مطلق، گیج و دیفرانسیل چیست؟

این یک مفهوم اساسی در اندازه گیری فشار است. فشار مطلق نسبت به خلاء کامل (فشار صفر) اندازه گیری می شود. در فشارسنج ها، ارتفاع سنج ها و فرآیندهایی که خلاء مرجع است استفاده می شود. فشار سنج نسبت به فشار اتمسفر محلی محیط اندازه گیری می شود. گیج فشار تایر در فشار اتمسفر صفر را نشان می دهد و فقط فشار بالای آن را نشان می دهد. فشار دیفرانسیل تفاوت بین دو فشار را اندازه گیری می کند، مثلاً در یک فیلتر یا در یک فلومتر. این انتخاب بر نوع مبدل فشاری که نیاز دارید تأثیر می گذارد و پیامدهایی برای تهویه سیگنال دارد. به عنوان مثال، یک سنسور فشار مطلق دارای یک محفظه مرجع خلاء مهر و موم شده است، در حالی که یک سنسور گیج به اتمسفر تخلیه می شود.

دما چگونه بر خوانش سنسور فشار مبتنی بر MCP تأثیر می گذارد؟

دما مهمترین منبع خطا در سنجش فشار دقیق است. هم بر مبدل فشار (باعث ایجاد دریفت دهانه و صفر) و هم بر اجزای الکترونیکی (تغییر مقادیر مقاومت و افست های op-amp/ADC) تأثیر می گذارد. در یک مبتنی بر MCP سیستم، چندین استراتژی برای مبارزه با این. ابتدا از قطعاتی با ضرایب دمای پایین استفاده کنید، مانند MCP3421 ADC که دریفت افست بسیار پایینی دارد. دوم، با استفاده از یک سنسور دما مانند MCP9800، از جبران دمای سخت افزاری استفاده کنید. میکروکنترلر هر دو ADC فشار و سنسور دما را می خواند، سپس یک الگوریتم جبران نرم افزاری را با استفاده از ضرایب تعیین شده در طول یک چرخه کالیبراسیون چند دما اعمال می کند. این جبران دمای فعال برای دستیابی به دقت بالا در محیط عملیاتی یک برنامه صنعتی یا خودرویی ضروری است.

کاربردهای پرطرفدار که باعث نوآوری در سنجش فشار می شوند چیست؟

چندین روند کلیدی تقاضا برای راه حل های پیشرفته سنجش فشار را شکل می دهند. تکثیر اینترنت اشیا و کشاورزی هوشمند برای پتانسیل آب خاک (پتانسیل ماتریک) و فشار خط آبیاری به شبکه‌هایی از حسگرهای کم‌هزینه و باتری‌دار نیاز دارد. مانیتورهای سلامت پوشیدنی در حال کاوش در اندازه گیری مداوم فشار خون، نیاز به سنسورهای کوچک و بسیار دقیق هستند. را انقلاب وسایل نقلیه الکتریکی (EV) نیاز به نظارت بر فشار در سیستم های مدیریت حرارتی باتری و سلول های سوختی هیدروژنی را افزایش می دهد. در نهایت، تعمیر و نگهداری پیش بینی صنعتی برای پیش‌بینی خرابی‌ها به نظارت بر ارتعاشات فشار و روند سیستم‌های هیدرولیک و پنوماتیک متکی است. این برنامه‌ها برای یکپارچگی بالاتر، قدرت کمتر (جایی که ADCهای MCP برتری دارند)، خروجی‌های دیجیتال و استحکام بهبود یافته، همه زمینه‌هایی را که یک زنجیره سیگنال به خوبی طراحی شده با استفاده از اجزای MCP می‌تواند راه‌حل رقابتی ارائه دهد، فشار می‌آورد.