一种小体积低成本压力测量模块研制

熊育信 赵宏 程浩

（第七一五研究所，杭州，310012）

一种小体积低成本压力测量模块研制

熊育信 赵宏 程浩

（第七一五研究所，杭州，310012）

介绍压力测量模块研制背景；讲述模块的总体设计方案，并从结构设计、电路设计以及温度补偿设计等多方面对模块的设计思路进行了深入分析和阐述，最后给出了模块的性能指标和特点。

压力测量；压力传感器；电压力锅；信号调理；温度补偿

对于压力锅来说，测量并控制锅体内部压力非常重要，现有的电压力锅主要是通过温度折算或计算位移的方式来估算压力。这些方式存在以下缺点：首先是测压精度不高（目前最好只能做到5 kPa）；其次反应速度不灵敏，不能及时跟踪压力的变化。上述因素极大地影响了主控板对烹饪过程的控制。因此，压力锅厂商需要一种测压精度更高、反应速度快（1 s以内）、成本更低的测压产品。

目前国内市场上的电压力锅还未出现真正意义上能进行压力测量的产品。虽然在其它领域中普遍应用的充油芯体能够实现对压力的测量，但存在两大问题：一是使用温度范围不满足压力锅的使用环境；二是价格偏高，不被压力锅厂商所接受。

为此我们研制了一款小体积低成本压力测量模块。它可以测量高温高湿气体或液体的压力，可用于电脑板电压力锅锅内压力的测量，具有压力跟踪准确、精度高、反应速度快等优点，从而极大地方便了电压力锅主控板对压力的控制，使得烹饪效果大大提高。

另外，该模块的应用领域还具备很大的扩展性，可以将其应用于其它需要测量气体或液体压力的领域。

1 方案设计

1.1 结构设计

压力测量模块的结构采用充油芯体的设计方式，外形小巧，易于安装。它主要由三部分组成：结构外壳、导压介质以及膜片。由于膜片和探头前端外壳在使用中需要直接接触锅内气体，故其材料均为无毒材料：外壳材料用铝合金；膜片材料为硅橡胶。

1.2 电路设计

压力测量模块由传感器电路和信号调理电路组成，二者集成在一个探头里。电路组成如图1所示。

图1 电路组成框图

1.2.1 传感器电路设计

传感器电路集成了压力传感器和温度传感器，它位于探头前端，用于感知锅内实时压力和温度并将其转换成电信号。

根据压力锅压力量程和成本，压力测量模块选用了一款型号为SM5420C的绝对压力传感器，成本低，其技术参数为[1]：测压量程，0～206.7 kPa （30 PSI，1 PSI≈6.89 kPa）；工作温度，−40℃～125℃；封装尺寸，4.1 mm×5.1 mm；供电电压，5 V DC；差分输出电压范围0～100 mV。

其作用机理是：由于半导体的硅阻效应，在硅膜片上施加压力将引起阻值的变化；通过给压力传感器提供一个恒压激励，其输出电压将随着施加压力的递增而递增；所以通过采集压力传感器的输出电压，就可以得到对应的压力值。

除了压力传感器电路，在压力测量模块中还设计了温度传感器电路。这是因为电压力锅在使用过程中，锅内的压力值和温度值都在不断地变化，因此除了获取锅内压力外，还需要不断监测锅内温度值。

压力测量模块中的温度传感器选用的是NTC热敏电阻器。这是一种以过渡金属氧化物为主要原材料制造的半导体陶瓷元件，具有电阻值随着温度的变化而相应变化的特性。即在一定的测量功率下，电阻值随温度的升高而降低。利用这一特性，可将其应用于测控温、温度补偿、抑制浪涌电流等。

1.2.2 信号调理电路设计

信号调理电路由信号预处理和主控电路两部分构成。由于压力传感器的输出电压为差分信号，且幅值较小，因此为了提高精度，充分利用AD采集的动态范围，在AD采样前需要对其输出信号进行差分放大。信号预处理正是为此而设计的。对差分信号进行放大可以采用测量放大器来实现，测量放大器又称精密放大器或仪器（用）放大器，因其具有很高的共模抑制比和很高的输入阻抗，在测量、测试电路中得到了广泛应用[2]。测量放大器可由运放组成，考虑到成本，设计中采用普通的运放来构建仪器放大器。对于直流小信号放大，该运放可以满足要求。

由于压力传感器和温度传感器的输出量都是模拟量，因此需要对模拟量进行AD转换以得到数字量，通过对数字量的计算，即可实现对压力和温度的测量[3]。压力测量模块主控电路选用了内置AD的低成本单片机，除了采集传感器信号，同时还具有数据通讯功能，通过其UART口将压力值和温度值送出。

1.3 温度补偿设计

在恒温条件或者温度变化不大（具体取决于所要求的精度）使用情况下，可以认为压力传感器的输出电压信号与压力呈线性，从而快速计算出压力值。然而在温度变化较大，例如在使用压力锅时，其锅内温度变化可达100℃以上，这时就必须考虑温度带来的影响，否则计算出来的压力就会偏差很大，可通过温度补偿修正温度对其输出电压带来的影响，计算正确的压力值。表1截取了一段压力传感器在不同温度和不同压力下输出电压的典型值。

表1 芯片典型值

根据对该表进行数据处理，不难发现，在同一个压力下，压力传感器的输出电压随温度的上升而下降，并且该递减值为一个等差数列。以压力为14 PSI为例，温度每增加5℃，电压下降0.387824 mV，即每增加1℃度，下降0.077565 mV。

以温度为100℃，压力为14 PSI条件下的压力传感器输出电压值为基准，可以得到该压力不同温度下的压力传感器电压输出值Vp14，具体计算公式为：

式中，T的单位为℃，计算结果单位为mV。

通过分析该表还可以发现，在同一温度下，压力传感器的输出电压随压力的上升而上升，并且该递增值为一个等差数列。当温度为100℃时，每增加1PSI，输出电压值上升2.992425 mV；当温度为105℃时，每增加1 PSI，电压上升2.959003 mV；当温度为110℃时，每增加1PSI，电压上升2.92558 mV。进一步分析发现，该增加值随温度的上升而递减，且该递减值也为一个等差数列。通过计算，当递增幅度为5℃时，该值为0.033423 mV，即递增幅度为1℃时，该值为0.006685 mV。由此以100℃芯片输出值的递增系数为基准，可推出不同温度下的压力传感器输出值的递增系数a，其计算公式为：

当我们测出当前压力传感器输出电压后，通过减去基准值（当前温度下，14 PSI压力时压力传感器输出电压值），得到递增的总电压，将该电压除以当前温度下压力的递增系数，便可以得到递增的压力值PSI，该值加上14 PSI即得到当前的压力值。即根据式（1）、（2），在测量出当前温度T和压力输出值Vout后便可以计算出对应压力值P：

式中，计算结果单位为PSI。

2 主要性能指标和特点

压力测量模块实物图和外形尺寸如图4、5、6所示。其主要性能指标如下：供电电压，5.0 VDC；工作电流<18 mA；测压量程（相对压力）为0～80 kPa；传感器最大耐压值是500 kPa；传感器破坏压力值为900 kPa；测压精度是3 kPa；反应时间<300 ms；使用温度在0℃～120℃；储存温度为−10℃～125℃；UART口，TTL电平；设计使用寿命为5年（可更换）；探头重量<30 g。

图4 探头实物图

图5 探头实物尺寸对比图

图6 探头外形尺寸图（单位：mm）

压力测量模块具有以下特点：

· 传感器探头集成了压力传感器和温度传感器，从而方便了对传感器的温漂进行补偿；该设计提高了测量精度及反应速度，对高原地区的测压比现有测压方式更为准确；

· 传感器探头体积小巧，重量轻，便于安装到目前的电压力锅上；

· 电气接口简单，通过3线接口即可连接至电压力锅主控板；

· 传感器探头温度补偿范围宽，最高能到120℃（最高工作温度）；而目前市场上的充油芯体温度补偿范围基本上不超过80℃；

· 扩展性好，可以用于其它需要测量气体或液体压力的领域。

3 结束语

目前，该压力测量模块已经在多家压力锅厂家进行了测试，从实验结果来看，精度能达到2 kPa，可以满足压力锅对压力值测量的精度要求，因而具有很好的市场应用前景。

[1] SM5420C datasheet. Silicon Microstructures, 2008.

[2] 陈梓城. 实用电子电路设计与调试[M]. 北京: 中国电力出版社, 2006.

[3] 房小翠. 单片机实用系统设计技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1999.