CN109186816A - 一种超小型数字压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力传感器相关领域，具体是一种超小型数字压力传感器，旨在解决现有MEMS压力传感器集成度低、数据传输质量差的技术问题。本发明的一种超小型数字压力传感器，由传感器本体和传感器变换器组成，传感器本体包括MEMS压力敏感头、温度敏感头、壳体、顶盖；传感器变换器包括数据收发模块和供电模块，数据收发模块包括依次串联的驱动模块、逻辑控制模块及485通信接口。本发明的传感器的体积极大缩小，采集的数据质量产生大的飞跃，数据传输速率进一步的提高；另一方面，大量减少传输线缆的使用，从而可以减小设备的体积以及原料消耗，进而节省资金的投入。

Description

一种超小型数字压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器相关领域，具体是一种超小型数字压力传感器。

背景技术

压力传感器是压力测试系统的核心部件，其功能是准确捕捉待测压力的压力值和压力变化。在现代社会中，压力信息在汽车设备、医用电子、消费电子、航空电子、油气开采等社会领域的各个不同方面发挥着至关重要的作用。压力传感器作为众多类型传感器中的一员，是当今社会应用最广泛最成熟的类型。其中，随着MEMS技术的发展，MEMS压力传感器因其体积小、频率响应高、抗干扰性能好等优势从众压力传感器中脱颖而出，但是这种压力传感器的温度性能很差，常常需要复杂的信号调理电路进行温度补偿、信号放大、滤波等工作，功耗高，体积大，集成度低，增加了应用难度，限制了其使用范围。另外，现有压力传感器作为前端数据采集设备，通常是以组群形式出现，分布在各个关键部位采集数据，传统压力传感器输出的模拟量需要经过很长的线缆传输给二次仪表（如A/D转换、信号变送、微处理器等），这样的传输方式很大程度上影响了最终采集到的数据的质量。

发明内容

本发明旨在解决现有MEMS压力传感器集成度低、数据传输质量差的技术问题。为此，本发明提出一种超小型数字压力传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超小型数字压力传感器，包括若干传感器本体，所述传感器本体包括桶状的壳体，所述壳体的内侧壁的底部内凸有环状阶梯以将壳体的内腔分为靠近壳体底部的第一内腔和远离壳体底部的第二内腔；所述传感器本体还包括探头和驱动电路板，所述探头与所述第一内腔适配以嵌装在第一内腔中，所述驱动电路板固定于所述环状阶梯的阶梯面上以限位所述探头，所述探头内集成有MEMS压力敏感头、温度敏感头、选通开关、模数转换模块、微处理器、PROM及I2C通信接口，所述微处理器控制选通开关、模数转换模块、PROM及I2C通信接口，所述选通开关用以接通MEMS压力敏感头或温度敏感头，所述PROM用以存放校准数据，所述I2C通信接口与所述驱动电路板连接，所述驱动电路板连接有输出线缆；所述壳体的开口端还固定有顶盖，所述输出线缆穿过所述顶盖引至壳体外部，所述驱动电路板与顶盖之间填充有绝缘密封材料；所述壳体的底部外凸有螺纹安装头，所述螺纹安装头内设有与外部连通的空腔，所述空腔与第一内腔通过防水密封胶相隔；传感器变换器，包括供电模块和数据收发模块，所述供电模块与数据收发模块和所有传感器本体的输出线缆连接，所述数据收发模块包括依次串联的驱动模块、逻辑控制模块及485通信接口，所述驱动模块与所有传感器本体的输出线缆连接，所述逻辑控制模块用以分析上位机的命令以及与传感器本体建立通讯发送控制命令，所述485通信接口与上位机连接；所述驱动电路板和驱动模块上皆设置有通信接口驱动电路，所述通信接口驱动电路设置有I2C总线扩展器。具体控制时，第一步，对各个传感器本体进行初始化：逻辑控制模块产生复位命令发送给每个传感器本体的微处理器，微处理器控制传感器本体的各部分做好检测准备；第二步，读取PROM中的数据：逻辑控制模块发送控制命令，输送至每个传感器本体的微处理器，微处理器读取PROM中的数据；第三步，开启温度/压力转换：逻辑控制模块向所有传感器本体的微处理器发送AD转换命令，该命令包括转换压力值还是温度值以及过采样率，微处理器收到命令后控制选通开关接通温度敏感头或MEMS压力敏感头进行物理信号的检测，检测完毕后，微处理器再控制模数转换模块进行模数转换，产生数字信号；第四步，读取温度/压力数据：逻辑控制模块向其中一个传感器本体的微处理器发送读取AD转换数据的命令，微处理器将转换后的数字信号收集并从I²C总线接口发出，经过驱动电路板和驱动模块后进入逻辑控制模块，进行分析打包，之后通过485通信接口输送至上位机进行分析。读完一个传感器中的数据后再读取下一个传感器中的数据。这里，MEMS压力敏感头是压力传感器的核心部件，用以直接检测压力；温度敏感头用以检测环境温度；选通开关用以收到AD转换命令后选择转换压力信号还是温度信号；模数转换模块用以接受选通开关确定的执行命令，将温度或压力的模拟信号转换为数字信号；PROM用以储存压力及温度补偿校准数据；I²C通信接口用以发送和接受数据；输出线缆对应I²C通信接口采用I²C总线，用以将数据传给传感器变换器或者用以将控制命令传给驱动电路板；驱动模块与所有传感器本体的驱动电路板连接，用以收集各个传感器本体产生的数据并发送给逻辑控制模块；逻辑控制模块用以对每个传感器本体发送来的数字信号进行分析打包发送给上位机，还用于与上位机建立通讯并发送控制命令；485通信接口用以将逻辑控制模块打包后的数据转换为上位机可直接接受的数据；供电模块用以为传感器的各部分供电，保障其正常工作。

这里对第二步中的PROM的数据读取过程进行详细的说明：具体读取时，传感器变换器先建立第一次通讯，逻辑控制模块发送7位地址和一位读命令，7位地址用以选取每根I²C总线上的具体某一个传感器本体，本发明中每根总线只设置有一个传感器本体，所以不同总线选取传感器本体采用相同的地址，即选取地址被固定，发送同一个7位地址即可选中所有I²C总线上的传感器本体，被选中的传感器本体的微处理器做出应答，逻辑控制模块再发送读取PROM中地址1的命令给微处理器，微处理器读取PROM的地址1的16位数据，通讯停止；传感器变换器再建立第二次通讯，逻辑控制模块发送7位地址和一位写命令，7位地址选中传感器本体，传感器本体的微处理器做出应答后，将第一次通讯中读取的16数据分两次输送给I2C通信接口，然后等待编码打包发送至上位机，这样一个地址的数据读取完毕，其他地址同理，直到读完所有地址中的数据。

在第三步中，AD转换命令包含转换温度值或是压力值、过采样率，根据过采样率的不同完成AD转换的时间不同，过采样率越高所需时间越长，AD转换时间是限制一个变换器所能挂的所有传感器的采样率的关键因素，因此实际操作中控制所有传感器本体同时进行AD转换。

下面对I²C总线扩展器的重要性进行解释：I²C总线是一种双向二线制同步串行总线，其中串行数据线和串行时钟线都是双向I/0线，接口电路为开漏输出，消耗的电流很小，因此总线上能够扩展的器件数量和最大的通信距离主要由总线上的电容负载决定，负载电容的增加会使信号的上升时间增加，引起误码。一般情况下I²C总线的负载能力为400pF，总线上的等效电容为传输线上的电容与节点器件等效电容10倍之和，传输距离每增加1米，等效电容增加约100pF，由此可见I²C总线的传输距离很短。本发明中，在驱动电路板和驱动模块中皆设置有通信接口驱动电路，通信接口驱动电路上设置I²C总线扩展器，使总线的负载能力提高，传输距离增加时不会超出总线的负载能力，大大增加了总线的有效传输距离，为多个传感器的大型布线提供了便利便于实现大型布线。

另外，本发明中所谓的“超小型”，正是由MEMS压力敏感头及其高集成度决定的。

本发明的有益效果是：本发明提供一种超小型数字压力传感器，由传感器本体和传感器变换器组成，传感器本体包括MEMS压力敏感头，MEMS压力敏感头的自身结构特性及其高集成度保证了传感器的体积和质量都非常小；传感器本体还包括温度敏感头，MEMS压力敏感头采集到的压力数据可结合温度敏感头采集到的温度数据共同参照PROM中的校准值进行补偿计算，提高了压力采集精度；传感器本体还设置有壳体、顶盖，壳体和顶盖形成的腔体内填充绝缘密封材料，保证了在严酷环境下超小型数字压力传感器的可靠性；传感器变换器包括数据收发模块，数据收发模块可将上位机的指令传递给驱动电路板，也可将每个传感器本体转换后的数字信号传给上位机进行分析处理，提高了数据传输的质量；驱动电路板和驱动模块皆设有通信接口驱动电路，通信接口驱动电路内设I²C总线扩展器，大大延长了总线的通信距离，为多路传感器的分布和与传感器变换器的连接提供了便利。

附图说明

图1是本发明传感器本体的结构示意图；

图2是本发明传感器本体的探头的结构框图；

图3是本发明传感器变换器的结构框图。

具体实施方式

参照图1至图3，本发明的一种超小型数字压力传感器，包括若干传感器本体，所述传感器本体包括桶状的壳体1，所述壳体1的内侧壁的底部内凸有环状阶梯以将壳体1的内腔分为靠近壳体1底部的第一内腔和远离壳体1底部的第二内腔；所述传感器本体还包括探头3和驱动电路板4，所述探头3与所述第一内腔适配以嵌装在第一内腔中，所述驱动电路板4固定于所述环状阶梯的阶梯面上以限位所述探头3，所述探头3内集成有MEMS压力敏感头、温度敏感头、选通开关、模数转换模块、微处理器、PROM及I2C通信接口，所述微处理器控制选通开关、模数转换模块、PROM及I2C通信接口，所述选通开关用以接通MEMS压力敏感头或温度敏感头，所述PROM用以存放校准数据，所述I2C通信接口与所述驱动电路板4连接，所述驱动电路板4连接有输出线缆5；所述壳体1的开口端还固定有顶盖8，所述输出线缆5穿过所述顶盖8引至壳体1外部，所述驱动电路板4与顶盖8之间填充有绝缘密封材料6；所述壳体1的底部外凸有螺纹安装头9，所述螺纹安装头9内设有与外部连通的空腔，所述空腔与第一内腔通过防水密封胶2相隔；传感器变换器，包括供电模块和数据收发模块，所述供电模块与数据收发模块和所有传感器本体的输出线缆5连接，所述数据收发模块包括依次串联的驱动模块、逻辑控制模块及485通信接口，所述驱动模块与所有传感器本体的输出线缆5连接，所述逻辑控制模块用以分析上位机的命令以及与传感器本体建立通讯发送控制命令，所述485通信接口与上位机连接；所述驱动电路板4和驱动模块上皆设置有通信接口驱动电路，所述通信接口驱动电路设置有I2C总线扩展器。具体控制时，第一步，对各个传感器本体进行初始化：逻辑控制模块产生复位命令发送给每个传感器本体的微处理器，微处理器控制传感器本体的各部分做好检测准备；第二步，读取PROM中的数据：逻辑控制模块发送控制命令，输送至每个传感器本体的微处理器，微处理器读取PROM中的数据；第三步，开启温度/压力转换：逻辑控制模块向所有传感器本体的微处理器发送AD转换命令，该命令包括转换压力值还是温度值以及过采样率，微处理器收到命令后控制选通开关接通温度敏感头或MEMS压力敏感头进行物理信号的检测，检测完毕后，微处理器再控制模数转换模块进行模数转换，产生数字信号；第四步，读取温度/压力数据：逻辑控制模块向其中一个传感器本体的微处理器发送读取AD转换数据的命令，微处理器将转换后的数字信号收集并从I²C总线接口发出，经过驱动电路板和驱动模块后进入逻辑控制模块，进行分析打包，之后通过485通信接口输送至上位机进行分析。读完一个传感器中的数据后再读取下一个传感器中的数据。这里，MEMS压力敏感头是压力传感器的核心部件，用以直接检测压力；温度敏感头用以检测环境的温度；选通开关用以收到AD转换命令后选择转换压力信号还是温度信号；模数转换模块用以接受选通开关确定的执行命令，将温度或压力的模拟信号转换为数字信号；PROM用以储存压力及温度补偿校准数据；I²C通信接口用以发送和接受数据；输出线缆对应I²C通信接口采用I²C总线，用以将数据传给传感器变换器或者用以将控制命令传给驱动电路板；驱动模块与所有传感器本体的驱动电路板连接，用以收集各个传感器本体产生的数据并发送给逻辑控制模块；逻辑控制模块用以对每个传感器本体发送来的数字信号进行分析打包发送给上位机，还用于与上位机建立通讯并发送控制命令；485通信接口用以将逻辑控制模块打包后的数据转换为上位机可直接接受的数据；供电模块用以为传感器的各部分供电，保障其正常工作。

进一步的，所述壳体1的开口端固定有用以固定输出线缆5的压环7，所述输出线缆5从所述压环7中部穿过，所述压环7与所述顶盖8固定连接。压环7的设置可使输出线缆5固定更加牢固，进一步提高了整个传感器本体结构的可靠性。

优选的，所述PROM为128位PROM，PROM中设置有8个地址，共128位数据。

优选的，所述传感器本体设置有48个。

优选的，所述输出线缆5为I2C总线。

优选的，所述I2C总线扩展器为P82B715芯片，可将总线的负载能力提高到3000pF。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种超小型数字压力传感器，其特征在于，包括以下组件：

若干传感器本体，所述传感器本体包括桶状的壳体（1），所述壳体（1）的内侧壁的底部内凸有环状阶梯以将壳体（1）的内腔分为靠近壳体（1）底部的第一内腔和远离壳体（1）底部的第二内腔；所述传感器本体还包括探头（3）和驱动电路板（4），所述探头（3）与所述第一内腔适配以嵌装在第一内腔中，所述驱动电路板（4）固定于所述环状阶梯的阶梯面上以限位所述探头（3），所述探头（3）内集成有MEMS压力敏感头、温度敏感头、选通开关、模数转换模块、微处理器、PROM及I²C通信接口，所述微处理器控制选通开关、模数转换模块、PROM及I²C通信接口，所述选通开关用以接通MEMS压力敏感头或温度敏感头，所述PROM用以存放校准数据，所述I²C通信接口与所述驱动电路板（4）连接，所述驱动电路板（4）连接有输出线缆（5）；所述壳体（1）的开口端还固定有顶盖（8），所述输出线缆（5）穿过所述顶盖（8）引至壳体（1）外部，所述驱动电路板（4）与顶盖（8）之间填充有绝缘密封材料（6）；所述壳体（1）的底部外凸有螺纹安装头（9），所述螺纹安装头（9）内设有与外部连通的空腔，所述空腔与第一内腔通过防水密封胶（2）相隔；

传感器变换器，包括供电模块和数据收发模块，所述供电模块与数据收发模块和所有传感器本体的输出线缆（5）连接，所述数据收发模块包括依次串联的驱动模块、逻辑控制模块及485通信接口，所述驱动模块与所有传感器本体的输出线缆（5）连接，所述逻辑控制模块用以分析上位机的命令以及与传感器本体建立通讯发送控制命令，所述485通信接口与上位机连接；

所述驱动电路板（4）和驱动模块上皆设置有通信接口驱动电路，所述通信接口驱动电路设置有I²C总线扩展器。

2.根据权利要求1所述的一种超小型数字压力传感器，其特征在于：所述壳体（1）的开口端固定有用以固定输出线缆（5）的压环（7），所述输出线缆（5）从所述压环（7）中部穿过，所述压环（7）与所述顶盖（8）固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种超小型数字压力传感器，其特征在于：所述PROM为128位PROM。

4.根据权利要求1或2所述的一种超小型数字压力传感器，其特征在于：所述传感器本体设置有48个。

5.根据权利要求1所述的一种超小型数字压力传感器，其特征在于：所述I²C总线扩展器为P82B715芯片。