Wheatstone-Brückenausgang für Drucksensoren

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 Ingenieure waren dort. MEMS- und Verbundfolien-Drucksensoren verwenden intern eine Wheatstone-Brücke, und das angezeigte Ausgangssignal ist nur ein winziger Bruchteil der Erregungsspannung — skaliert durch die Brückenempfindlichkeit und das Verhältnis von ausgeübtem Druck zu Enddruck.

Hier ist die Sache: Zu wissen, welche Spannung am Brückenausgang genau zu erwarten ist, ist nicht nur akademisch. Dies ist entscheidend für die Entwicklung der richtigen Verstärkung des Instrumentenverstärkers, die Einstellung der ADC-Eingangsbereiche, die Budgetierung von Rauschmargen und die einfache Überprüfung Ihrer Labormessungen. Ich habe zu viele Debug-Sitzungen gesehen, die hätten vermieden werden können, wenn jemand zuerst die erwartete Ausgabe berechnet hätte. Der Rechner open the Pressure Sensor Bridge Output auf rftools.io macht das schnell und fehlerfrei.

Wenn Sie mit Signalen im einstelligen Millivolt-Bereich arbeiten, kommt es auf jedes Detail an. Ein 5-mV-Signal, das auf einem 1-mV-Offset mit 0,5 mV Rauschen liegt, lässt nicht viel Spielraum für Fehler. Sie müssen wissen, wonach Sie suchen, bevor Sie mit einem Oszilloskop herumforschen.

Die zugrundeliegende Mathematik

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

§0 §

wo:

-$V_{ex}$ist die Brückenerregungsspannung (V) -$S$ist die Brückenempfindlichkeit, die typischerweise in mV/V bei maximalem Druck angegeben wird -$P$ist der angewandte (gemessene) Druck -$P_{FS}$ist der Nenndruck des Sensors über den gesamten Messbereich

Die Bruchbiegung ist einfach das Verhältnis des ausgeübten Drucks zum Enddruck:

Und die Full-Scale-Output (FSO) — die maximale Brückenleistung, die Sie jemals von einem Sensor erwarten würden — ist:Beachten Sie, dass die Empfindlichkeit$S$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. Ich habe mehr als ein Design getestet, bei dem jemand mV/V so behandelte, als ob es tatsächliche Spannungseinheiten gäbe, und am Ende kam es zu einer Verstärkungsberechnung, die um den Faktor 1000 falsch war.

Das Schöne an dieser Formulierung ist ihre Linearität. Doppelter Druck, doppelte Leistung. Halbe Erregerspannung, halbe Ausgangsleistung. Damit ist die Rechnung klar, aber denken Sie daran, dass echte Sensoren an den Extremen ihres Betriebsbereichs von diesem idealen Verhalten abweichen.

Funktioniertes Beispiel: Industrieller Drucktransmitter

Lassen Sie uns ein realistisches Szenario durchgehen. Sie integrieren einen piezoresistiven Silizium-Drucksensor in ein hydraulisches Überwachungssystem. Vielleicht messen Sie den Leitungsdruck in einer Produktionsanlage oder überwachen ein pneumatisches Steuerungssystem.

Gegeben:

• Brückenerregungsspannung:$V_{ex} = 5.0\,\text{V}$- Brückenempfindlichkeit:$S = 3.0\,\text{mV/V}$(aus dem Datenblatt)
• Druck bei voller Skala:$P_{FS} = 500\,\text{psi}$- Ausgesetzter Druck:$P = 175\,\text{psi}$Schritt 1 — Ausgabe im vollen Maßstab:
  $$V_{FSO} = 5.0 \times 3.0\,\text{mV/V} = 15.0\,\text{mV}$$
  Bei 500 psi erzeugt die Brücke also 15 mV. Das ist Ihre theoretische maximale Ausgangsleistung dieser Sensorkonfiguration. Jeder höhere Wert bedeutet, dass etwas nicht stimmt — vielleicht haben Sie die Erregerspannung zu hoch eingestellt, oder es liegt ein Fehler in der Brücke vor.

Schritt 2 — Fraktionale Ablenkung: Der Sensor arbeitet mit 35% seines gesamten Messbereichs. Das ist eigentlich ein ziemlich komfortabler Betriebspunkt. Sie haben genug Kopffreiheit für Druckspitzen und befinden sich weit über dem Geräuschpegel. Schritt 3 — Brückenausgang bei 175 psi: Diese 5,25 mV sollten Sie an den Brückenausgängen sehen. Wenn Ihr Instrumentenverstärker eine Verstärkung von 200 hat, entspricht das verstärkte Signal$5.25\,\text{mV} \times 200 = 1.05\,\text{V}$— ein angenehmer Pegel für einen 3,3-V- oder 5-V-ADC. Sie verwenden etwa 30% eines 3,3-V-ADC-Bereichs. Das ist angemessen, lässt aber Spielraum, um die Verstärkung zu erhöhen, wenn Sie eine bessere Auflösung wünschen.

Dieses Beispiel zeigt auch, warum Sie eine Verstärkung benötigen. Ein 5,25-mV-Signal, das direkt in einen 12-Bit-ADC mit einer 3,3-V-Referenz eingespeist wird, würde nur etwa 6 Zählungen registrieren. Das ist eine schreckliche Auflösung. Bei einer Verstärkung von 200 verwenden Sie ungefähr 1200 Zählungen, was Ihnen eine viel bessere effektive Auflösung bietet.

Praktische Überlegungen zum Design

Auswahl der richtigen Erregerspannung

Eine höhere Erregung bedeutet ein größeres Ausgangssignal und ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis. Das ist die einfache Physik. In den Sensordatenblättern ist jedoch eine maximale Erregerspannung angegeben — oft 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.

Selbsterhitzung ist real und hinterhältig. Die Widerstände in der Brücke leiten Strom ab, und dieser Strom wird in Wärme umgewandelt. Ein 350-Ω-Brückenelement, das mit 10 V betrieben wird, leitet etwa 285 mW ab, was nicht nach viel klingt, bis Sie feststellen, dass es in einem winzigen Siliziumchip konzentriert ist. Diese Hitze verändert die Widerstandswerte, was wie eine Druckänderung in Ihrem Messsystem aussieht.

Eine gute Faustregel: Verwenden Sie die höchste Erregung, die der Sensor zulässt, es sei denn, der Stromverbrauch ist eine Einschränkung. Bei batteriebetriebenen Anwendungen können Sie auf 3,3 V oder noch weniger abschalten. Drücken Sie bei netzbetriebenen Industriegetrieben den Wert auf den Nennwert.

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. Sie messen die tatsächliche Empfindlichkeit während des Produktionstests, speichern einen Korrekturfaktor im EEPROM oder Flash und wenden ihn in der Firmware an. Dies ist bei Präzisionsinstrumenten üblich, erhöht jedoch die Kosten und die Komplexität. Für weniger anspruchsvolle Anwendungen können Sie Ihren ADC und Verstärker einfach so spezifizieren, dass sie den gesamten Toleranzbereich abdecken und die reduzierte Genauigkeit akzeptieren.

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. Das ist riesig. Messen Sie immer den Brückenversatz und subtrahieren Sie ihn (oder setzen Sie ihn automatisch auf Null), bevor Sie den Ausgang als Druck interpretieren.

Einige Instrumentenverstärker verfügen über eine integrierte Offset-Nullung. Andere benötigen einen externen Trimmtopf oder einen DAC, um einen Korrekturstrom einzuspeisen. Der einfachste Ansatz besteht darin, den Nulldruckausgang während der Kalibrierung zu messen und ihn in der Software zu subtrahieren. Stellen Sie nur sicher, dass Ihr System den gesamten Offsetbereich verarbeiten kann. Wenn Ihr Verstärker klemmt, weil er durch den Offset aus dem Bereich gerät, stecken Sie fest.

Die Temperatur macht das Ganze noch schlimmer. Der Brückenausgleich schwankt mit der Temperatur, typischerweise ein paar Mikrovolt pro Grad Celsius. Für Laborarbeiten spielt dies möglicherweise keine Rolle. Für etwas, das in einer Fabrikhalle steht und bei dem die Umgebungstemperatur während einer Schicht um 40 °C schwankt, müssen Sie den Offset entweder temperaturkompensieren oder eine ratiometrische Messtechnik verwenden, die ihn ausgleicht.

Betrieb unter dem Skalenendwert

Es ist verlockend, einen Sensor auszuwählen, dessen Enddruck genau Ihrem erwarteten Maximaldruck entspricht. Scheint effizient zu sein, oder? In der Praxis bietet Ihnen ein Betrieb mit 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.

Die meisten Ingenieure, die ich kenne und die an industriellen Systemen gearbeitet haben, haben eine Geschichte über eine „unmögliche“ Druckspitze, die einen Sensor zerstörte, weil ihn jemand zu nahe am Rand spezifiziert hatte. Hydrauliksysteme sind dafür berüchtigt — ein Ventilverschluss kann für einige Millisekunden einen Druckübergang erzeugen, der doppelt so hoch ist wie der Druck im stationären Zustand. Es ist besser, den Spielraum zu haben und ihn nicht zu brauchen.

Wann sollte dieser Taschenrechner verwendet werden

Dieses Tool ist jederzeit nützlich, wenn Sie:

Prognostizieren Sie die Brückenleistung für einen bestimmten Betriebsdruck während des Schaltungsentwurfs. Sie sitzen da mit einem Datenblatt, skizzieren Ihre Signalkette und müssen wissen, mit welchen Spannungen Sie es zu tun haben. Geben Sie die Zahlen ein, erhalten Sie eine Antwort und fahren Sie fort.

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. Das ist eines der ersten Dinge, die ich überprüfe, wenn eine Druckmessung nicht richtig aussieht. Berechne, was es sein sollte, messe, was es ist, vergleiche. Wenn sie um mehr als die Sensortoleranz abweichen, beginnen Sie mit dem Debuggen. Dimensionieren Sie Ihre Verstärkungsverstärkung — 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. Bei zu geringer Verstärkung verschwenden Sie ADC-Bits. Zu viel Verstärkung und Sie erhalten gültige Druckwerte. Machen Sie es gleich beim ersten Mal richtig. Vergleichen Sie Sensoren — geben Sie die technischen Daten verschiedener Hersteller an und finden Sie heraus, welcher die beste Ausgangsleistung für Ihr Erregungsbudget bietet. Manchmal liefert ein Sensor mit niedrigerer Empfindlichkeit, aber höherer maximaler Erregung ein besseres Signal als ein Sensor mit hoher Empfindlichkeit, aber strengen Anregungsgrenzwerten.

Versuch es

Geben Sie Ihre eigenen Sensorspezifikationen in den Rechner Öffnen Sie den Pressure Sensor 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. Ich verfüge über ein Lesezeichen für diesen Rechner, weil er schneller ist, als mit der Hand zu rechnen, und er beseitigt die Fehler bei der Umrechnung von Einheiten, die sich bei der Arbeit mit mV/V-Spezifikationen immer einzuschleichen scheinen.