個(gè)人導(dǎo)航儀中的MEMS壓力傳感器

　　本文論述如何在個(gè)人導(dǎo)航儀內(nèi)利用MEMS壓力傳感器輔助GPS接收器測量海拔高度。本文第一部分概述大氣壓與海拔高度的關(guān)系。第二部門描述如何使用壓力傳感器計(jì)算海拔高度。第三部分介紹如何在一個(gè)個(gè)人導(dǎo)航儀如智能手機(jī)內(nèi)集成壓力傳感器。

　　1. 大氣壓與海拔高度的關(guān)系

　　在個(gè)人導(dǎo)航儀中，MEMS壓力傳感器充當(dāng)氣壓計(jì)用于測量海拔高度變化。因此，我們必須了解不同高度的大氣壓。

　　下面是大氣壓測量單位：

　　psi – 磅/平方英寸

　　cm/Hg – 水銀柱高(厘米)

　　cm/Hg – 水銀柱高(英寸)

　　Pa – 帕，國際制壓力單位 (SI) ，1Pa = 1 N/m2

　　bar – 巴，氣壓單位，1 bar = 105Pa

　　mbar – 毫巴，1mbar = 10-3 bar

　　我們居住在地球大氣層的底層，大氣壓隨著海拔高度上升而降低。我們將在59 ℉時(shí)的29.92 in/Hg海平面氣壓規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這個(gè)平均值不受時(shí)間影響，而受到測量點(diǎn)的地理位置、氣溫和氣流的影響。

　　因此，上述壓力單位之間的換算關(guān)系是:

　　1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

　　可以用下面的表達(dá)式表示大氣壓與海拔高度之間關(guān)系 [1]:

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　　其中:

　　P0 是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，等于1013.25 mbar;

　　Altitude是以米為單位的海拔高度。

　　P是在某一高度的以mbar為單位的氣壓

　　圖1根據(jù)上面的公式描述了大氣壓變化與海拔高度的關(guān)系。

　　如圖1所示，當(dāng)高度從海平面上升到海拔11,000米高時(shí)，大氣壓從1013.25 mbar降到230 mbar。我們從圖中不難看出，當(dāng)高度低于 1,500米時(shí)，大氣壓幾乎呈線性降低，每100米大約降低11.2 mbar，即每10米大約降低1.1 mbar。為了取得更精確的高度測量數(shù)據(jù)，可以在目標(biāo)應(yīng)用中構(gòu)建一個(gè)大氣壓高度查詢表，根據(jù)壓力傳感器的測量結(jié)果，確定對應(yīng)的海拔高度。

　　如果使用全量程為300 mbar到1100 mbar的絕對MEMS壓力傳感器，測量高度可達(dá)海拔9,165米到海平面以下698米。

　　圖 1: 大氣壓與海拔高度的關(guān)系

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　　2. 利用MEMS傳感器確定樓層

　　0.1 mbar rms的測量分辨率使MEMS壓力傳感器能夠發(fā)現(xiàn)在1米以內(nèi)高度變化。因此，在高層建筑內(nèi)，可以使用壓力傳感器發(fā)現(xiàn)樓層變化。

　　圖2所示是在意法半導(dǎo)體的意大利Castelletto寫字樓內(nèi)采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)。采樣速率是7Hz，數(shù)據(jù)采集時(shí)間總計(jì)大約23分鐘。從圖中我們可以清晰地看到大氣壓在不同樓層的變化。大氣壓在地下室最高。隨著樓層升高，大氣壓逐漸降低。

　　圖3所示是意法半導(dǎo)體的一個(gè)MEMS壓力傳感器，這是一個(gè)采用3 x 5 x 1mm LGA-8封裝的數(shù)字輸出壓力傳感器，內(nèi)置I2C/SPI接口和16位數(shù)據(jù)輸出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率為0.1mbar。該芯片還內(nèi)置溫度傳感器。芯片內(nèi)部控制寄存器可以指示測量結(jié)果是高于還是低于壓力極限預(yù)設(shè)值。

　　壓力傳感器的測量精度會受到氣流和天氣條件的影響。為了取得精確、可靠的樓層測量結(jié)果，需要為壓力傳感器開發(fā)校準(zhǔn)和濾波算法。

　　圖 2: 從意法半導(dǎo)體傳感器原始數(shù)據(jù)取得的樓層檢測結(jié)果

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　　圖 3: 意法半導(dǎo)體的MEMS壓力傳感器

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