Новая серия датчиков давления Honeywell для монтажа на печатную плату

18 августа 2016

медицинапотребительская электроникалабораторные приборыHoneywellстатья

Датчики давления новой серии Basic board mount pressure sensors производства компании Honeywell позволяют сохранить пространство на печатной плате в малогабаритных устройствах, обеспечить низкую стоимость изделия и сократить время проектирования, сочетая быстродействие, точность и универсальность применения.

Среди широкого спектра продукции компании Honeywell немалую часть занимают пьезорезистивные датчики давления для поверхностного монтажа, предназначенные для работы в различных средах и при разных давлениях (рисунок 1). Эти датчики из усовершенствованной серии долгое время сохраняют работоспособность, а алгоритм их работы включает необходимую калибровку. Датчики давления поверхностного монтажа компании Honeywell обеспечивают усиленный аналоговый или цифровой выходной сигнал для более точных измерений. Суммарная погрешность вычислений составляет ±1,5%.

Рис. 1. Новая серия датчиков давления Honeywell Basic board mount pressure sensors

Рис. 1. Новая серия датчиков давления Honeywell Basic board mount pressure sensors

Пьезорезистивные датчики состоят из чувствительной силиконовой мембраны и установленных на ней резистивных элементов, образующих мост Уитстоуна (измерительный мост). При колебании давления происходит деформация мембраны, что влечет изменение удельного сопротивления и, в свою очередь, изменяет величину выходного сигнала относительно входного. Таким образом, принцип действия пьезорезистивных датчиков давления основан на способности вещества изменять удельное сопротивление при его деформации (рисунок 2).

Рис. 2. Принцип действия пьезорезистивных датчиков давления

Рис. 2. Принцип действия пьезорезистивных датчиков давления

Дополнительным преимуществом датчиков с силиконовой мембраной служит отсутствие у деформируемого материала эффекта памяти: после воздействия давления пластина принимает свою первоначальную форму. В аналогичных условиях работы металлы со временем увеличивают погрешность измерений в связи с накопленной деформацией.

Простота конструкции и малые габариты делают возможным применение датчиков компании Honeywell в различных медицинских измерительных приборах, устройствах мониторинга состояния пациента, аналитическом оборудовании.

Например, датчики серии ABP можно применять в анализаторах крови. Используя проточную цитометрию, анализаторы инспектируют микроклетки и хромосомы, выделяя их из общего потока и передавая электронным устройствам для анализа свойств. Датчики позволяют регулировать величину давления насосов, отбирающих и перемещающих пробы крови.

С целью предотвращения апноэ (временного прекращения дыхания) во время сна пациентов применяют устройства, поддерживающие постоянный поток воздуха через горло. В такой ситуации важен контроль давления воздушного потока: при недостаточной его величине лечение не даст должного эффекта, при избыточной – пациент будет чувствовать дискомфорт в процессе терапии.

Помимо медицинского применения датчики давления серии ABP осуществляют контроль в тормозных системах тяжелой дорожной техники и автомобилей. С их помощью при недостаточном или избыточном давлении на компрессор поступает сигнал о необходимости увеличить поток воздуха или прекратить его подачу, чтобы предотвратить аварийную ситуацию.

Датчики давления Honeywell широко применяются и в различных пневмо- и гидросистемах, где необходимы высокоточные контроль и измерение величины давления воздушного или жидкостного потока.

Существуют и другие варианты применения датчиков давления поверхностного монтажа серии АВР. Например, в кофемашинах с их помощью определяется уровень воды в резервуаре. Идущие на смену пружинным матрасам воздушные кровати нуждаются в контроле давления для комфортного сна, эту задачу также способны решить датчики поверхностного монтажа Honeywell.

Помимо широкого спектра применения, датчики давления серии АВР обладают рядом преимуществ по сравнению с аналогичными устройствами других производителей.

Датчики давления поверхностного монтажа серии ABP позволяют определять измеряемую величину с очень высокой точностью: значение суммарной ошибки (TEB) лежит в диапазоне ±1,5% FSS (величины полного размаха шкалы), погрешность измерений в зависимости от изменения температуры составляет ±0,25% FSS, эта же величина соответствует точности измерений давления в целом – ±0,25% FSS BFSL (метод наименьших квадратов для определения величины максимального отклонения от прямой вследствие аппроксимации реальной характеристики).

Благодаря возможности простой калибровки датчики нашли применение в различных сферах жизнедеятельности человека. А их малые габаритные размеры (8х7 мм) позволяют максимально эффективно использовать пространство печатных плат при проектировании, обеспечивая возможность минимизировать размеры конечного устройства.

В структуре датчиков давления поверхностного монтажа предусмотрена схема термокомпенсации, которая позволяет снизить воздействие на точность измерений перепадов температуры.

К отличительным чертам также стоит отнести режим ожидания (Sleep mode), который позволяет снижать уровень потребляемой датчиком энергии между измерениями. Поэтому он очень удобен в портативных устройствах мониторинга, где важна высокая степень энергоэффективности.

Отличительными характеристиками датчиков компании Honeywell являются:

  • высокая точность измерений;
  • малые габаритные размеры;
  • термокомпенсация;
  • режим ожидания.

Общие технические характеристики датчиков давления серии АВР приведены в таблице 1.

Таблица 1. Датчики давления серии АВР

Технические характеристики Минимальное значение Максимальное значение
Напряжение питания (Vsupply), В -0,3 6
Напряжение на каждой ножке, В -0,3 Vsupply+0,3
Тактовая частота интерфейса, кГц I2C 100 400
SPI 50 800
ESD-восприимчивость, кВ 2
Рабочая температура, °С -40 85
Время и температура пайки при 250°С, макс., с 15
Кол-во рабочих циклов, мин., шт. 1 млн

Из таблицы 1 следует возможность использовать различные интерфейсы при подключении датчиков АВР поверхностного монтажа. Кроме того, предусмотрена защита от статического напряжения в случаях применения датчиков в оборудовании, непосредственно контактирующем с человеческим телом. Ведь для выхода из строя миниатюрных электронных устройств достаточно величины статического тока, источником которого является тело человека. Количество срабатываний датчика в зависимости от области применения может превышать 1 млн благодаря свойствам силиконовых материалов возвращать первоначальную форму после деформации.

При работе с датчиками давления серии АВР следует иметь в виду их способность выдавать на выходе как аналоговый, так и цифровой сигнал, а также учитывать различие технических характеристик (таблица 2).

Таблица 2. Режимы работы датчиков

Технические характеристики Аналоговый режим работы Цифровой режим работы
Мин. Ном. Макс. Мин. Ном. Макс.
Напряжение питания, В для 3,3 В DC 3 3,3 3,6 3 3,3 3,6
для 5,0 B DC 4,75 5 5,25 4,75 5 5,25
Ток питания, мА: для 3,3 В DC 2,1 2,8 3,1 3,9
для 5,0 B DC 2,7 3,8 3,7 4,6
режим ожидания 1 10
Температурный диапазон компенсации, °С 0 50 0 50
Время срабатывания, мс 5 3
Время отклика, мс 1 0,46
Точность, % FSS BFSL ±0,25 ±0,25

По данным таблицы 2 можно выбрать наиболее оптимальный режим работы датчика с учетом конструктивных особенностей конечного устройства.

Компания Honeywell выпускает датчики поверхностного монтажа двух исполнений – с выводами и без них. Каждый из вариантов имеет различный способ контакта с контролируемой средой (рисунок 3).

Рис. 3. Исполнения датчиков серии АВР

Рис. 3. Исполнения датчиков серии АВР

Дифференциальные датчики, которые позволяют выравнивать давление, имеют по два порта подключения. Фитинги могут располагаться как по вертикальной, так и по горизонтальным осям.

Одной из особенностей серии ABP является соответствие выходного сигнала датчиков различным единицам измерения давления: барам (bar), паскалям (Pa), фунтам на квадратный дюйм (psi). В серии есть выделенные группы, в которых выходной сигнал доступен в различных единицах. Например, для Великобритании и США удобнее применение устройств, дающих показания в фунтах на квадратный дюйм (таблица 3). В одних измерительных приборах целесообразно выводить величины в барах и их производных (таблица 4), в других более приемлемы паскали (таблица 5).

Таблица 3. Датчики давления 1…150 psi

Наименование Диапазон давлений Обозначе-ние Критическое давление Давление разрушения Максимальное давление Абсолютная погрешность измерений, % FSS Погрешность после 1000 ч работы при 250°С, % FSS
Pmin Pmax
Датчики дифференциального давления
001PD -1 1 psi 10 15 150 ±1,5 ±0,25
005PD -5 5 psi 30 40 150 ±1,5 ±0,25
015PD -15 15 psi 60 120 150 ±1,5 ±0,25
030PD -30 30 psi 120 240 150 ±1,5 ±0,25
060PD -60 60 psi 250 250 250 ±1,5 ±0,25
Датчики абсолютного давления
001PG 0 1 psi 10 15 150 ±1,5 ±0,25
005PG 0 5 psi 30 40 150 ±1,5 ±0,25
015PG 0 15 psi 30 60 150 ±1,5 ±0,25
030PG 0 30 psi 60 120 150 ±1,5 ±0,25
060PG 0 60 psi 120 240 250 ±1,5 ±0,25
100PG 0 100 psi 250 250 250 ±1,5 ±0,25
150PG 0 150 psi 250 250 250 ±1,5 ±0,25

Таблица 4. Датчики давления 0,06…100 бар

Наименование Диапазон давлений Обозначе-ние Критическое давление Давление разрушения Максимальное давление Абсолютная погрешность измерений, % FSS Погрешность после 1000 ч работы при 250°С, % FSS
Pmin Pmax
Датчики дифференциального давления
060MD -60 60 мбар 850 1000 10000 ±1,5 ±0,25
100MD -100 100 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
160MD -160 160 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
250MD -250 250 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
400MD -400 400 мбар 2000 4000 10000 ±1,5 ±0,25
600MD -600 600 мбар 2000 4000 10000 ±1,5 ±0,25
001BD -1 1 бар 4 8 10 ±1,5 ±0,25
1.6BD -1,6 1,6 бар 8 16 10 ±1,5 ±0,25
2.5BD -2,5 2,5 бар 8 16 10 ±1,5 ±0,25
004BD -4.0 4.0 бар 16 17 10 ±1,5 ±0,25
060MD -60 60 мбар 850 1000 10000 ±1,5 ±0,25
100MD -100 100 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
160MD -160 160 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
Датчики абсолютного давления
060MG 0 60 мбар 850 1000 5450 ±1,5 ±0,25
100MG 0 100 мбар 850 1000 10000 ±1,5 ±0,25
160MG 0 160 мбар 850 1000 10000 ±1,5 ±0,25
250MG 0 250 мбар 1400 2500 10000 ±1,5 ±0,25
400MG 0 400 мбар 2000 4000 10000 ±1,5 ±0,25
600MG 0 600 мбар 2000 4000 10000 ±1,5 ±0,25
001BG 0 1 бар 2 4 10 ±1,5 ±0,25
1.6BG 0 1,6 бар 4 8 10 ±1,5 ±0,25
2.5BG 0 2,5 бар 8 16 10 ±1,5 ±0,25
004BG 0 4 бар 8 16 16 ±1,5 ±0,25
006BG 0 6 бар 17 17 17 ±1,5 ±0,25
010BG 0 10 бар 17 17 17 ±1,5 ±0,25

Таблица 5. Датчики давления 0,006…1 МПа

Наименование Диапазон давлений Обозначе-ние Критическое давление Давление разрушения Максимальное давление Абсолютная погрешность измерений, % FSS Погрешность после 1000 ч работы при 250°С, % FSS
Pmin Pmax
Датчики дифференциального давления
006KD -6 6 кПа 85 100 1000 ±1,5 ±0,25
010KD -10 10 кПа 140 250 1000 ±1,5 ±0,25
016KD -16 16 кПа 140 250 1000 ±1,5 ±0,25
025KD -25 25 кПа 140 250 1000 ±1,5 ±0,25
040KD -40 40 кПа 200 400 1000 ±1,5 ±0,25
060KD -60 60 кПа 200 400 1000 ±1,5 ±0,25
100KD -100 100 кПа 400 800 1000 ±1,5 ±0,25
160KD -160 160 кПа 800 1600 1000 ±1,5 ±0,25
250KD -250 250 кПа 800 1600 1000 ±1,5 ±0,25
400KD -400 400 кПа 1600 1700 1000 ±1,5 ±0,25
Датчики абсолютного давления
006KG 0 6 кПа 85 100 545 ±1,5 ±0,25
010KG 0 10 кПа 85 100 1000 ±1,5 ±0,25
016KG 0 16 кПа 85 100 1000 ±1,5 ±0,25
025KG 0 25 кПа 140 250 1000 ±1,5 ±0,25
040KG 0 40 кПа 200 400 1000 ±1,5 ±0,25
060KG 0 60 кПа 200 400 1000 ±1,5 ±0,25
100KG 0 100 кПа 200 400 1000 ±1,5 ±0,25
160KG 0 160 кПа 400 800 1000 ±1,5 ±0,25
250KG 0 250 кПа 800 1600 1000 ±1,5 ±0,25
400KG 0 400 кПа 800 1600 1600 ±1,5 ±0,25
600KG 0 600 кПа 1700 1700 1700 ±1,5 ±0,25
001GG 0 1 MПa 1,7 1,7 1,7 ±1,5 ±0,25

Номенклатура датчиков приведена на рисунке 4.

Свойство датчиков давления серии АВР переходить в режим ожидания (sleep mode) позволило расширить область использования в тех случаях, когда важно снизить величину потребляемого тока, а скорость измерения не имеет значения. Ведь для выхода из режима ожидания датчику необходимо время, что, в свою очередь, увеличивает время вывода информации. Из режима ожидания датчик выходит при получении сигнала через интерфейсы I2C или SPI.

Режим ожидания – это заводская установка, которая позволяет датчику снижать величину потребляемой энергии между чтением данных. В период покоя потребляемый ток датчика снижается с 2,5 до 0,5 мкА.

Обычно в режиме ожидания датчик находится до тех пор, пока от ведущего (Master) устройства не поступит сигнал «запрос полных измерений» (Full Measurement Request, FMR) для обоих интерфейсов I2C и SPI или «запрос измерения давления» (Pressure Measurement Request, PMR) только для I2C.

При получении команды FMR датчик проводит полные измерения и цикл расчетов, выполняя одновременно калибровку по температуре и положению нуля (рисунок 5).

Рис. 5. Цикл работы команды FMR

Рис. 5. Цикл работы команды FMR

Когда приходит сигнал PMR – осуществляется считывание информации об изменении состояния моста Уитсона и расчет величины давления с учетом ранее выполненных термокомпенсации и калибровки. Полный объем информации помещается в регистр, и потребляемая энергия опять снижается (рисунок 6).

Рис. 6. Цикл работы команды PMR

Рис. 6. Цикл работы команды PMR

Последующие вычисления могут быть выполнены без «пробуждения» датчика: ведущее устройство отправляет команду «чтение полученных данных» (Read Data Fetch, RDF), по которой поступит информация из регистра объемом 2, 3 или 4 байта, в зависимости от необходимых данных по температуре и разрешающей способности. Когда выполняется команда RDF, возвращаемый пакет данных будет последним измерением, выполненным с присвоением значения биту «valid» («действующий»). Когда выполнение команды завершится – бит статуса будет иметь значение «stale» («устаревший»). Следующая команда FMR или PMR опять выведет датчик из режима ожидания и начнет цикл измерений сначала.

Заключение

Благодаря своим характеристикам датчики давления Honeywell успешно могут применяться в различных областях: медицине, промышленности, быту. Наличие режима ожидания позволяет использовать SMD-датчики серии АВР в портативных устройствах контроля и регулирования давления. Различные конструктивные исполнения упрощают проектирование изделий.

Компания Honeywell по праву заняла позицию одного из ведущих производителей датчиков давления благодаря стремлению упростить как разработку, так и применение различных типов оборудования. Датчики давления обеспечивают высокую точность измерений, стабильность работы и удобство использования.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Honeywell_07_16

•••

Наши информационные каналы

О компании Honeywell

Honeywell International, Inc. — крупная американская корпорация, производящая электронные системы управления и автоматизации. Корпорация Honeywell International — мировой лидер в области технологий и промышленного производства, входящий в список 100 ведущих компаний, составляемый журналом Fortune. Она известна во всем мире своими разработками в области аэрокосмического оборудования, технологий для эксплуатации зданий и промышленных сооружений, автомобильного оборудования, турбокомпрессоров и ...читать далее