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Sensor

Drucksensor-Brückenausgang

Berechnet die Wheatstone-Brücken-Ausgangsspannung für piezoresistive Drucksensoren aus Speisung, Empfindlichkeit und Druck.

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Formel

V_out = V_ex × S × (P/P_FS)

S— Sensitivity (mV/V)
P_FS— Full-scale pressure (kPa)

Wie es funktioniert

Piezoresistive Drucksensoren enthalten eine Wheatstone-Brücke aus diffundierten oder dünnschichtigen dehnungsempfindlichen Widerständen auf einer Silizium- oder Metallmembran. Durch den ausgeübten Druck wird die Membran abgelenkt, was zu Widerstandsänderungen führt, die die Brücke aus dem Gleichgewicht bringen. Die Brückenausgangsspannung ist V_out = V_ex × S × (P/P_FS), wobei V_ex die Erregerspannung ist, S die Brückenempfindlichkeit in mV/V ist, P der angelegte Druck ist und P_FS der Nenndruck im Endbereich ist. Die Ausgangsleistung bei voller Skala ist V_FS = V_ex × S, typischerweise 10—100 mV für eine Erregung von 5—10 V. Da es sich bei V_out um ein differentielles Millivoltsignal handelt, das zusätzlich zu einer Gleichtaktspannung von V_ex/2 hinzukommt, ist ein Instrumentenverstärker erforderlich, der das Differenzsignal verstärkt und gleichzeitig die große Gleichtaktkomponente unterdrückt. Die Temperatur wirkt sich sowohl auf den Nullpunkt-Offset (Nulldruck-Ausgangsverschiebungen) als auch auf die Spanne (Empfindlichkeitsänderungen) aus. In der Regel ist eine analoge oder digitale Kompensation mithilfe eines Temperatursensors erforderlich, der in der Nähe des Drucksensors angebracht ist.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Differenzdrucksensor hat eine Empfindlichkeit von 20 mV/V und einen Endwert von 100 kPa. Die Erregung beträgt 5 V. Wie hoch ist die Ausgangsleistung bei 35 kPa, und welche Verstärkungsstärke wird für einen 3,3-V-ADC benötigt? Lösung: 1. Ausgangsleistung bei voller Skala: V_FS = 5 V × 20 mV/V = 100 mV 2. Ausgangsleistung bei 35 kPa: V_out = 100 mV × (35/100) = 35 mV 3. Erforderliche Verstärkungsstärke: G = 3300 mV/100 mV = 33 V/V 4. Ausgangsleistung bei 35 kPa nach Verstärkung: 35 mV × 33 = 1,155 V 5. Fraktionale Durchbiegung: 35/100 = 35% Ergebnis: Die Brücke gibt 35 mV bei 35 kPa aus; bei einer Verstärkung von 33 wird der 100-mV-FS dem 3,3-V-ADC-Endwert zugeordnet.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie den ratiometrischen Betrieb — schließen Sie sowohl die ADC-Referenz als auch die Drucksensorerregung an dieselbe geregelte Spannung an. Wenn die Versorgung schwankt, skalieren beide proportional und das Verhältnis V_OUT/V_EX bleibt konstant.
  • ✓Für absolute Genauigkeit führen Sie eine Zweipunktkalibrierung durch (Nulldruck und bekannter Referenzdruck), um sowohl Offset- als auch Verstärkungsfehler zu korrigieren.
  • ✓Fügen Sie in der Nähe des Sensors einen 100-nF-Keramikkondensator von jeder Erregerleitung zur Erde hinzu, um hochfrequentes Rauschen zu filtern, das sonst als Druckmessrauschen auftreten würde.

Häufige Fehler

  • ✗Anlegen einer Erregerspannung, die das Sensormaximum überschreitet — eine Überspannung führt zu einer Selbsterhitzung der Brückenwiderstände, wodurch der Nullpunkt und die Spannweite verschoben werden. Überprüfen Sie immer die maximale Nennerregung (typischerweise 5—12 V).
  • ✗Wenn der Sensor im Verhältnis zu seiner Nennausrichtung kopfüber verwendet wird — viele Sensoren beziehen das Gewicht der Membran in die Nullkalibrierung ein; Änderungen der Ausrichtung führen zu einem Nullversatz, der dem Eigengewichtsdruck der Membran entspricht.
  • ✗Vernachlässigung der Gleichtaktspannung am Eingang des Instrumentenverstärkers — der Brückenausgang läuft im V_ex/2-Gleichtaktmodus; wählen Sie eine INA mit einem Gleichtakt-Eingangsbereich, der V_ex/2 an Ihrer Stromversorgung umfasst.

Häufig gestellte Fragen

Manometerdrucksensoren messen den Druck im Verhältnis zum atmosphärischen Druck (bei atmosphärischem Druck ist der Ausgang Null). Absolutsensoren messen relativ zum Vakuum (absoluter Druck von Null). Differenzsensoren messen den Druckunterschied zwischen zwei Anschlüssen. Für Klimatechnik und Flüssigkeitsdurchfluss sind Differential- und Manometertypen am gebräuchlichsten. Für Höhenmesser und Barometer werden Absolutdrucksensoren verwendet.
Der thermische Nullpunktversatz ist die Verschiebung der Brückenleistung bei Nulldruck, die durch ein temperaturbedingtes Widerstandsungleichgewicht verursacht wird. Sie wird in μV/V/°C oder% fs/°C angegeben. Bei der Kompensation werden in der Regel ein Temperatursensor und eine Nachschlagetabelle oder Polynomkorrektur in der Firmware oder ein integrierter digitaler Drucksensor (z. B. BMP390) verwendet, der eine interne Temperaturkompensation durchführt.
Eine höhere Erregung führt zu einer größeren Ausgangsspannung (besseres SNR), erhöht jedoch die Eigenerwärmung. In der Regel werden Silizium-Brückensensoren mit einer Nennleistung von 5—10 V mit 5 V Gleichstrom versorgt. Für batteriebetriebene Anwendungen verwenden Sie zur Reduzierung des Stromverbrauchs eine Wechselstromerregung mit der empfohlenen Mindestspannung. Stellen Sie jedoch sicher, dass der Sensor für Wechselstromerregung ausgelegt ist.

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