摘 要：PPT系列 精密智能壓力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。
關(guān)鍵詞：壓力;傳感器;檢測;控制
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)主要考慮其測量兼容性和影響壓力傳感器性能的誤差因素。
1.1 測量兼容性
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。
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)字測量系統(tǒng)過渡,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RS232總線給PPT組態(tài),然后在現(xiàn)場作為模擬摶 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)要可以通過幾條簡單的指令來根據(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量中的問題。但應(yīng)注意：由于壓力信號(hào)首先需要經(jīng)過數(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RS232串口控制,在這種模式下,PPT傳感器通過數(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輸出以及與測量壓力無關(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,測量模擬輸出的儀器（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,無奇偶校驗(yàn),一個(gè)停止位。用戶通過一個(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）; 打開模擬輸出
＊OOAN=ON（cr）; 打開用戶電壓設(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,它本來的壓力量程為0psi～20psi,這樣,在數(shù)字模式下,可以通過使用壓力窗口（W）和偏置（O）命令來對(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)程檢測控制
如果要使用一個(gè)繪圖儀或其它模擬輸出設(shè)備來記錄和監(jiān)視遠(yuǎn)端的壓力測量數(shù)據(jù),那么,一個(gè)有效的方法就是通過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傳感器來進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測控制是一種簡單并且快速的實(shí)現(xiàn)方法,該方法對(duì)軟件沒有什么特殊要求。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)上可通過輸入以下命令來實(shí)現(xiàn)：
＊00WE=RAM（cr） ; 寫使能
＊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)測及過程控制系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用。
