霍尼韦尔PPT智能压力传感器及其应用
摘 要：PPT系列 精密智能压力传感器是霍尼威尔公司生产的高品质压力传感器。可广泛用于工业、航天、军事、医疗器械、大气环保检测及家电等领域。文中介绍了PPT系列传感器的特点、参数和引脚功能。最后介绍了PPT系列精密智能压力传感器的应用电路及设置方法。
关键词：压力;传感器;检测;控制
根据半导体的硅阻效应,在硅膜片上施加压力将引起阻值的变化。这一点与应变片的100倍,因此,它不会永久地伸展,而能在应力消失后又恢复原来的形状。作为压力传感膜片,硅优于金属,因为硅在工作范围内有着特别好的弹性,通常只有硅片破裂才会停止正常工作。作为压力传感器的专业设计生产,美国霍尼威尔公司生产的高品质PPT智能压力传感器已在工业、航天、军事、医疗器械、大气环保检测及家电等领域得到了广泛的应用。
1、压力传感器的选型
在选用压力传感器时,应主要考虑其测量兼容性和影响压力传感器性能的误差因素。
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1.1 测量兼容性
在进行压力传感器选择之前,应首先考虑材料、化学物质、浓度、温度、暴露时间、暴露形式、故障准则和一般信息等方面的因素。同时还应考虑应用环境、器件保护和在该区域的其它设备器件,以保证工作环境能够满足它的使用要求。
1.2 压力传感器性能的误差影响
对压力传感器性能误差的影响主要包括以下几点：
零点偏置;
零点温度漂移;
灵敏度偏移;
线性误差;
重复性误差。
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2、PPT 系列智力压力传感器的特点
霍尼威尔分司的精密智能压力传感器有PPT型和PPT-R型两种系列,其中PPT适用于干性气体,而PPT-R则带有不绣钢隔膜,适用于对腐蚀性介质的测量。PPT系列传感器综合了模式拟传感器的技术特点,可由用户自己决定是否使用和怎样使用智能功能。每个PPT传感器均可在全温区和全压略范围内对其数字输出和模拟输出进行精确定标。因此,它是一个既非常精确又标准的模拟电压输出装置,也是一个完善的、具有地址的数字传感器,并可在RS232总线上许多传感器一起联网使用。PPT传感器可以帮助用户向数字测量系统过渡,而不用增加新的昂贵的硬件设备。该系列传感器的内部结构如图1所示。
PPT系列精密智能压力传感器的主要特点有如下几个方面：
可组态的传感器
PPT传感器具有优异的重复性和稳定性;其压力信号可由单片机设置为数字输出模式,也可以设置为模拟输出模式。这些特点使得PPT传感器可作为一个高精度的标准模拟装置而不需要连接数字通讯线路;作为一个用户可组态的模拟传感器,用户可通过RS232总线给PPT组态,然后在现场作为模拟抟 使用;而作为一个智能型且具有地址的数字输出传感器,它可进行双向通讯。该压力传感器可单独工作,也可作为传感器网络上的一点。
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标准的模拟压力传感器
在许多应用中,PPT传感器可直接作为一个标准的模拟传感器。它只需加上5.5～30V的电压和压力源即可.由于其内部压力敏感器件的重复性非常好并可利用单片机进行数字补偿,因而可获得很高的稳定性和精度.在-40～+85℃的温度范围内,PPT传感器具有0.05%FS的典型精度。
用户可组态的模拟传感器
利用RS232串口总线,用户可通过PC发布指明令亚改变PPT传感器的任何一个参数。所有组态的变化均可存放在PPT传感器内部的EEPROM中,并可由用户可任意设计或取消。同时要可以通过几条简单的指令来根据各种不同的需要对模拟输出进行修改,如进行最大和最小模拟输出电压的调节以及压力量程的压缩等。
带有地址的智能传感器
在数字串口通讯模式下工作时,PPT传感器具有更多的方法解决压力测量中的问题。但应注意：由于压力信号首先需要经过数字化外理,所以数字输出模式的组态可能会影响到模拟输出的模式。
压力单位可选择
除基本单位psi（每平英寸承受的压力）外,PPT传感器具有12种压力单位可供选择,其中包括大气压、巴、厘米汞柱、英尺水柱、英尺汞柱、英寸水柱、kg/cm2\u27627毫巴、毫米汞柱、Mpa\u31859米汞柱等。另外,它还预认有一个用户自定义单位,因此,用户不必不可为单位换算进行额外的浮点运算。Psi和其它单位之间的换算关系如下：
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℃）
采样速率可调
PPT传感器可对每次测量的压力信号进行积分,积分时间可在8ms至12s之间选择。这样可以提高数字控制系统在不同环境条件下的适应性和抗干扰能力。
跟踪输入变化
有时用户需要在压力发生快速变化时使采样速率随之加速,因此,该PPT可以设定2倍加速。用户可设置一个阀值,当压力在阀值范围内波动时,采样速率自动加速,当压力在一个新的水平上稳定下来年采样速率以恢复原样。
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降低压力读数速率
当压力缓慢变化或者不变时,用户可以降低输出读数速率。这样PPT传感器可以跳过255个读数而使两次输出时间相隔51分,这种功能称为空闲计数功能。PPT传感器还可以设置为只有在压力变化时（超过认定阀值）才输出或只有当上位机查询时才输出等其它工作模式。
PPT通过RS232总线联网
一台PC机最多可挂接89个PPT传感器,每个PPT传感器具有一个独立的地址。利用这种网络模式,用户可以和一个传感器、一组传感器或网络上所有的传感器通讯。
外部控制模拟输出
PPT传感器的模拟输出电压可由上位机通过RS232串口控制,在这种模式下,PPT传感器通过数字口输出压力数据,同时,上位机也可以对PPT压力传感器的D/A输出以及与测量压力无关的模拟、电压进行控制。
3、PPT压力传感器的引脚及参数
PPT系列精密智能型压力传感器的主要参数如下：
电源电压范围：5.5～30VDC;
量程：PPT系列智能压力传感器的量程如表1所列;
温度输出精度在±0.5℃以内;
模拟输出电压范围：0～5V（用户可调节）;
短路电流：最大10mA;
工作输出电流：最大0.5mA;
负载电阻：最小10kΩ;
数字输出波特率：1200,2400,4800,9600,14400,19200,28800;
数据格式：1位起始位,8位数据位,1位停止位;
奇偶校验：无奇偶校验,奇校验,偶校验;
握手协议：不支持;
可接触的介质：
PPT的P1口（压力口）适用于所有玻璃、304不绣钢、Sn/Ag焊剂、环氧树脂、黄铜、硅型O型环的液体及气体。其管内径为0.6mm。而PPT传感器的P2口（参考口）则适用于非常接触、不易燃、非腐蚀性气体。
PPT-R的压力口与介质的接触面为316不绣钢。
PPT 系列传感器的管脚排列如图2所示,其引脚定义如下：
脚1：RS-232发送（TD）;
脚2：RS-232接收（RD）;
脚3：机壳接地;
脚4：电源和信号公共地;
脚5：DC电源输出;
脚6模拟输出。
4、PPT系列智能压力传感器的应用
在具体使用时,对于模拟输出的PPT传感器要求一点接地,这样可以减小噪声,也就是说,测量模拟输出的仪器（如数字电压表）的参考地应该直接连接到PPT的信号地。另外,电源地也必须直接到PPT传感器的信号地。
对于PPT传感器的大多数测量参数和输出特性,用户都可以重新进行定义。下面就列举几个如何定义模拟输出特性的例子。
4.1 输出模拟电压控制
PPT传感器能够把高低电平门限值按50mV的增量步长设置成0-5V之间的任何一个值。使用DB-9或DB-25针连接器可以把PPT的三个管脚连接到计算机的并口上,其连接对应关系和表2所示。
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表2 通讯线缆连接表
PPT传感器默认的通讯设置波特率为9600bps,8个数据位,无奇偶校验,一个停止位。用户通过一个终端应用程序可以重新定义PPT传感器的零点压力和满量程输出电压。但终端应用程序端的通讯设置必须和PPT传感器保持一致。
当PPT传感器加上电源后,它就会自动传输一个描述PPT传感器范围和类型的启动信号。当机器准备好后,输入下列命令并等待响应,即可确认计算机和PPT传感器之间的通讯是否准备好。符号（cr）表示按ENTER或RETURN键：
输入：﹡99S=（cr）
PPR 响应：01S=00052036
如果一个PPT压力传感器的压力范围为0psi～20psi,输出范围为0V～5V,参照下面的例子即可将新的零点压力输出电压定义为1V,满量程输出电压定义为4.85V：
输入 注释
＊00VE=RAM（cr） 写使能
＊00L=20（cr）; 设置零点为1V
＊00H=97（cr）; 设置满量程为4.85V
＊00DA=ON（cr）; 打开模拟输出
＊OOAN=ON（cr）; 打开用户电压设置
＊OOWE=（cr）; 把数据存储到EEPROM有效
＊OOSP=ALL（cr）; 把改变的数据存储到EEPROM
至此,PPT传感器的模拟电压输出范围便被设置为1V～4.85V。
如果PPT压力传感器的范围为12psi～16psi,它本来的压力量程为0psi～20psi,这样,在数字模式下,可以通过使用压力窗口（W）和偏置（O）命令来对压力量程进行重新定义。方式如下：
输入 注释
＊00WE=RAM（cr） 写使能
＊000=60（cr）; 设置起始压力为满量程的60%
＊00W=20（cr）; 设置压力窗口为满量程的60%
＊00WE=（cr）; 把数据存储到EEPROM有效
＊OOSP=ALL（cr）; 把改变的数据存储到EEPROM
通过上面两个例子,压力传感器就可在12 psi时输出1V而在16 psi时输出4.85V。
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4.2 远程检测控制
如果要使用一个绘图仪或其它模拟输出设备来记录和监视远端的压力测量数据,那么,一个有效的方法就是通过RS232总线让PPT1压力传感器传输一个数字压力信号到绘图仪,然后在靠近绘图仪的传感器PPT2上把这个信号还原成模拟信号,图3所示是一个远程压力检测控制系统的连接图。由于RS232总线具有很好的抗噪声能力和很低的连接损耗,因此,用户可以把两个PPT传感器之间的距离扩展到几公里。
使用两个PPT传感器来进行远距离检测控制是一种简单并且快速的实现方法,该方法对软件没有什么特殊要求。使用这种技术可以同时在RS232总线上挂接9个PPT传感器,但在上电前,必须对传感器进行下述定义：
输入 注释
（对PPT1的命令）
＊00WE=RAM（cr） 写使能
＊00ID=01（cr）; 设置器件ID为1
＊01ID=91（cr）; 设置组ID号为91
＊01DA=U（cr）; 设置为数字压力输出模式
＊O1MO=P4（cr）; 二进制输出模式
＊O1SP=ALL（cr）; 把数据存储到EEPROM有效
＊OOSP=ALL（cr）; 把改变的数据存储到EEPROM
（对PPT2的命令）
＊00WE=RAM（cr） 写使能
＊00ID=02（cr）; 设置器件ID为2
＊02ID=91（cr）; 设置组ID号为91
＊02DA=R（cr）; 设置为数字转换成模拟输出模式
＊O2NE=DAC（cr）; 写DAC数据转换器有效
＊O2WE（cr）; 把数据存储到EEPROM有效
＊O2SP=ALL（cr）; 把改变的数据存储到EEPROM
另外,通过RS232总线可以将一个PPT连接到另外的PPT组上,但是要给每组定义一个唯一的组号,组号可以从90到98。
4.3 4-20mA电流环过程控制
4-20mA电流环接口在很多工业处理控制和工厂自动化系统中具有广泛的应用。采用电流环输出在工厂环境中进行远距离传播具有很好的抗干扰性能。
图4所示是选用一个AD694（4-20mA电流转换器）和一个电容器来完成这项工作的电路图。
该设计将40英寸水柱（1.5psi）时的输出定义为4mA,把400英寸水柱（15psi）
时的输出设定为20mA。如果读取压力的积分时间设定为1秒,则可以大大减少噪声。把PPT连接到计算机上可通过输入以下命令来实现：
＊00WE=RAM（cr） 写使能
＊00DU=INWC（cr）; 设置单位为inwc（英寸水柱）
＊00DA=B（cr）; 压力传感器输出模拟信号
＊00F=400（cr）; 设置满量程为400inwc
＊OOW=90（cr）; 设置压力窗口为360inwc（90%FS）
＊OOO=10（cr）; 设置压力偏置为40inwc（10%FS）
＊OOH=40（cr）; 设置输出最大为2V
＊00AN=ON（cr）; 输出范围40～400inwc,0～2V
＊O0I=M10（cr）; 设置积分时间为1秒
＊O0WE（cr）; 把数据存储到EEPROM有效
＊O0SP=ALL（cr）; 把改变的数据存储到EEPROM
PPT系列智能压力传感器以其优良的性能、灵活的组态、合理的价格而在航空仪表、医疗设备、环境监测及过程控制系统中具有广泛的应用。
