个人导航仪中的MEMS压力传感器

　　本文论述如何在个人导航仪内利用MEMS压力传感器辅助GPS接收器测量海拔高度。本文第一部分概述大气压与海拔高度的关系。第二部门描述如何使用压力传感器计算海拔高度。第三部分介绍如何在一个个人导航仪如智能手机内集成压力传感器。

　　1. 大气压与海拔高度的关系

　　在个人导航仪中，MEMS压力传感器充当气压计用于测量海拔高度变化。因此，我们必须了解不同高度的大气压。

　　下面是大气压测量单位：

　　psi – 磅/平方英寸

　　cm/Hg – 水银柱高(厘米)

　　cm/Hg – 水银柱高(英寸)

　　Pa – 帕，国际制压力单位 (SI) ，1Pa = 1 N/m2

　　bar – 巴，气压单位，1 bar = 105Pa

　　mbar – 毫巴，1mbar = 10-3 bar

　　我们居住在地球大气层的底层，大气压随着海拔高度上升而降低。我们将在59 ℉时的29.92 in/Hg海平面气压规定为标准大气压，这个平均值不受时间影响，而受到测量点的地理位置、气温和气流的影响。

　　因此，上述压力单位之间的换算关系是:

　　1 个标准大气压 = 14.7 psi = 76 cm/Hg = 29.92 in/Hg = 1.01325 bar = 1013.25 mbar

　　可以用下面的表达式表示大气压与海拔高度之间关系 [1]:

　　

 

　　其中:

　　P0 是标准大气压，等于1013.25 mbar;

　　AlTItude是以米为单位的海拔高度。

　　P是在某一高度的以mbar为单位的气压

　　图1根据上面的公式描述了大气压变化与海拔高度的关系。

　　如图1所示，当高度从海平面上升到海拔11,000米高时，大气压从1013.25 mbar降到230 mbar。我们从图中不难看出，当高度低于 1,500米时，大气压几乎呈线性降低，每100米大约降低11.2 mbar，即每10米大约降低1.1 mbar。为了取得更精确的高度测量数据，可以在目标应用中构建一个大气压高度查询表，根据压力传感器的测量结果，确定对应的海拔高度。

　　如果使用全量程为300 mbar到1100 mbar的绝对MEMS压力传感器，测量高度可达海拔9,165米到海平面以下698米。

　　图 1: 大气压与海拔高度的关系

　　

 

　　2. 利用MEMS传感器确定楼层

　　0.1 mbar rms的测量分辨率使MEMS压力传感器能够发现在1米以内高度变化。因此，在高层建筑内，可以使用压力传感器发现楼层变化。

　　图2所示是在意法半导体的意大利Castelletto写字楼内采集到的压力传感器数据。采样速率是7Hz，数据采集时间总计大约23分钟。从图中我们可以清晰地看到大气压在不同楼层的变化。大气压在地下室最高。随着楼层升高，大气压逐渐降低。

　　图3所示是意法半导体的一个MEMS压力传感器，这是一个采用3 x 5 x 1mm LGA-8封装的数字输出压力传感器，内置I2C/SPI接口和16位数据输出。量程是300 mbar到1100 mbar，分辨率为0.1mbar。该芯片还内置温度传感器。芯片内部控制寄存器可以指示测量结果是高于还是低于压力极限预设值。

　　压力传感器的测量精度会受到气流和天气条件的影响。为了取得精确、可靠的楼层测量结果，需要为压力传感器开发校准和滤波算法。

　　图 2: 从意法半导体传感器原始数据取得的楼层检测结果

　　

 

　　图 3: 意法半导体的MEMS压力传感器