Sensors1. März 20265 Min. Lesezeit

Berechnung der Wheatstone-Brückenleistung für Drucksensoren: Ein praktischer Leitfaden

Erfahren Sie, wie Sie die Ausgangsspannung der Drucksensorbrücke anhand der Erregung, der Empfindlichkeit und des angewandten Drucks berechnen. Enthält ausgearbeitete Beispiele und Formeln.

Warum Brückenleistung bei der Druckmessung wichtig ist

Wenn Sie jemals einen piezoresistiven Drucksensor verkabelt und auf ein Millivolt-Signal gestarrt haben und sich gefragt haben, ob Ihr Messwert korrekt ist, sind Sie nicht allein. Die meisten MEMS- und Verbundfolien-Drucksensoren verwenden intern eine Wheatstone-Brücke, und der angezeigte Ausgang ist nur ein winziger Bruchteil der Erregungsspannung — skaliert durch die Brückenempfindlichkeit und das Verhältnis von ausgeübtem Druck zu Enddruck.

Es ist aus mehreren Gründen von entscheidender Bedeutung, genau zu wissen, welche Spannung am Brückenausgang zu erwarten ist. Dazu gehören die Wahl der richtigen Verstärkung des Instrumentenverstärkers, die Einstellung von ADC-Eingangsbereichen, die Budgetierung von Rauschgrenzen und einfach die Überprüfung Ihrer Labormessungen auf Plausibilität. Der Rechner [Open the Pressure Sensor Bridge Output] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) auf rftools.io macht das schnell und fehlerfrei.

Die zugrundeliegende Mathematik

Eine Drucksensorbrücke erzeugt eine Ausgangsspannung, die proportional zum angelegten Druck ist. Die Beziehung ist einfach:

„MATHBLOCK_0“

wo:

„MATHINLINE_6“ ist die Brückenerregungsspannung (V)
„MATHINLINE_7“ ist die Brückenempfindlichkeit, die typischerweise in mV/V bei maximalem Druck angegeben wird
„MATHINLINE_8“ ist der angelegte (gemessene) Druck
„MATHINLINE_9“ ist der gesamte Druckwert des Sensors

Die Bruchbiegung ist einfach das Verhältnis zwischen ausgeübtem Druck und maximalem Druck:

„MATHBLOCK_1“

Und die Full-Scale-Output (FSO) — die maximale Brückenleistung, die Sie jemals von einem Sensor erwarten würden — ist:

„MATHBLOCK_2“

Beachten Sie, dass die Empfindlichkeit „MATHINLINE_10“ normalerweise in mV/V angegeben wird. Ein Sensor mit einer Nennleistung von 2 mV/V bedeutet, dass die Brücke für jedes Erregungsvolt eine Ausgangsleistung von 2 mV bei vollem Druck erzeugt. Da es sich um ein dimensionsloses Verhältnis (Millivolt pro Volt) handelt, müssen Sie vorsichtig mit den Einheiten umgehen.

Funktioniertes Beispiel: Industrieller Druckmessumformer

Lassen Sie uns ein realistisches Szenario durchgehen. Sie integrieren einen piezoresistiven Silizium-Drucksensor in ein hydraulisches Überwachungssystem.

Gegeben:

Brückenerregungsspannung: „MATHINLINE_11“
Brückenempfindlichkeit: „MATHINLINE_12“ (aus dem Datenblatt)
Druck bei voller Skala: „MATHINLINE_13“
Ausgesetzter Druck: „MATHINLINE_14“

Schritt 1 — Vollständige Ausgabe:

„MATHBLOCK_3“

Bei 500 psi erzeugt die Brücke also 15 mV.

Schritt 2 — Fraktionale Ablenkung:

„MATHBLOCK_4“

Der Sensor arbeitet mit 35% seines gesamten Messbereichs.

Schritt 3 — Brückenausgang bei 175 psi:

„MATHBLOCK_5“

Diese 5,25 mV sollten Sie an den Brückenausgängen sehen. Wenn Ihr Instrumentenverstärker eine Verstärkung von 200 hat, ist das verstärkte Signal „MATHINLINE_15“ — ein angenehmer Pegel für einen 3,3 V- oder 5-V-ADC.

Praktische Überlegungen zum Design

Auswahl der richtigen Erregerspannung

Eine höhere Erregung bedeutet ein größeres Ausgangssignal und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. In den Sensordatenblättern ist jedoch eine maximale Erregerspannung angegeben — häufig 10 V oder 12 V für Industriesensoren, manchmal nur 1,5 V für MEMS-Geräte mit geringem Stromverbrauch. Wird dieser Wert überschritten, führt dies zu einer Selbsterhitzung, was zu einer thermischen Drift führt und das Sensorelement dauerhaft beschädigen kann. Eine gute Faustregel: Verwenden Sie die höchste Erregung, die der Sensor zulässt, es sei denn, der Stromverbrauch ist eine Einschränkung.

Variation der Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeitswerte im Datenblatt sind nominell. Echte Sensoren werden mit einer Toleranz ausgeliefert — oft ±0,5 mV/V oder weniger bei kalibrierten Geräten. Bei unserem Beispielsensor mit einer Nennleistung von 3,0 mV/V ±0,25 mV/V könnte die Ausgangsleistung bei voller Skala zwischen 13,75 mV und 16,25 mV liegen. Ihre Signalkonditionierungskette muss diese Spanne berücksichtigen. Bei vielen Designs ist während der Kalibrierung ein Gain-Trim-Schritt durch Software oder Hardware vorgesehen, um die Ausgangsleistung zu normalisieren.

Offset-Spannung

Echte Brücken sind niemals perfekt ausbalanciert. Eine typische Offset-Spezifikation könnte ±1 mV bei 5 V-Erregung sein. Wenn das interessierende Signal nur 5,25 mV beträgt, entspricht ein Offset von 1 mV einem Fehler von 19%, wenn er nicht korrigiert wird. Messen Sie immer den Brückenversatz und subtrahieren Sie ihn (oder setzen Sie ihn automatisch auf Null), bevor Sie den Ausgang als Druck interpretieren.

Betrieb unter dem Skalenendwert

Es ist verlockend, einen Sensor auszuwählen, dessen Enddruck genau Ihrem erwarteten Maximaldruck entspricht. In der Praxis bietet Ihnen ein Betrieb bei 50— 80% des Skalenendwerts ausreichend Spielraum für Druckspitzen und Sie bleiben im linearsten Bereich der Übertragungsfunktion des Sensors. Unser Beispiel arbeitet bei 35% des Skalenendwerts. Das ist konservativ, aber völlig in Ordnung für ein System, bei dem 175 psi der normale Betriebspunkt ist und die Transienten bis zu 400 psi erreichen können.

Wann sollte dieser Rechner verwendet werden

Dieses Tool ist jederzeit nützlich, wenn Sie:

Vorhersage der Brückenleistung für einen bestimmten Betriebsdruck während des Schaltungsentwurfs
Überprüfen Sie die Messungen auf dem Prüfstand — wenn Ihr Oszilloskop oder Ihr DMM-Wert nicht mit dem berechneten Wert übereinstimmen, liegt möglicherweise ein Verkabelungsproblem, ein beschädigter Sensor oder ein Problem mit der Erregung vor
Größe der Verstärkungsverstärkung aus — Wenn Sie den erwarteten Ausgangsbereich kennen, können Sie die Verstärkung so einstellen, dass das verstärkte Signal Ihren ADC-Eingangsbereich füllt, ohne dass es zu einer Unterbrechung kommt
Vergleichen Sie Sensoren — geben Sie die Spezifikationen verschiedener Hersteller an und finden Sie heraus, welcher Ihnen den besten Ausgangspegel für Ihr Erregungsbudget bietet

Probiere es aus

Geben Sie Ihre eigenen Sensorspezifikationen in den Rechner [Öffnen Sie den Pressure Sensor Bridge Output] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) ein und erhalten Sie sofort Ergebnisse für Brückenleistung, Vollausgangsleistung und Bruchbiegung. Auf diese Weise können Sie Ihre Konstruktionsannahmen schnell überprüfen, bevor Sie den Prüfstand einschalten — oder um einen Messwert zu überprüfen, der nicht ganz richtig aussieht.