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— Empfindlichkeit (mV/V)

P_FS— Druck im vollen Maßstab (kPa)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner berechnet die Ausgangsspannung der piezoresistiven Drucksensorbrücke, die für Prozesssteuerungstechniker, HVAC-Systemdesigner und Sensorintegratoren in der Automobilindustrie unverzichtbar ist. Piezoresistive Drucksensoren enthalten eine Wheatstone-Brücke aus diffusen Dehnungsmessstreifen oder Dünnschicht-Dehnungsmessstreifen auf einer Silizium- oder Stahlmembran. Durch den ausgeübten Druck wird die Membran abgelenkt, wodurch der Widerstand verändert wird, sodass die Brücke aus dem Gleichgewicht gerät. Der Ausgang ist Vout = Vex S (P/Pfs), wobei Vex die Erregungsspannung (5-10 V typisch) ist, S die Empfindlichkeit in mV/V (typischerweise 10-30 mV/V gemäß den OIML-Empfehlungen) ist, P der angelegte Druck ist und Pfs der Enddruck ist. Ein 20-mV/V-Sensor bei 5-V-Erregung erzeugt 100 mV bei voller Skala. Gemäß IEC 61298 umfassen die Spezifikationen des Drucksensors Genauigkeit (+/-0,1 bis +/ -1% FS), Nichtlinearität (+/- 0,1-0,5% FS), Hysterese (+/- 0,05-0,2% FS) und thermische Nullpunktverschiebung (typischerweise +/ -0,02% FS/C). Industriesensoren von Honeywell, Sensata und Bosch erreichen ein Gesamtfehlerband (TEB) von +/ -0,25% FS über -40 bis +125 °C gemäß AEC-Q100-Automobilqualifizierung.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Größensignalkonditionierung für einen Honeywell MLH500PSB01A-Drucksensor (0-500 psi, 20 mV/V-Empfindlichkeit) in einem Hydrauliksystem. Die Erregung beträgt 10 V, der ADC ist 12-Bit mit einer Referenz von 5 V.

Lösung:

Ausgangsleistung bei voller Skala: Vfs = 10 V * 20 mV/V = 200 mV
Erforderliche Verstärkung des Verstärkers: G = 4500 mV/200 mV = 22,5 V/V (lassen Sie Spielraum für Offset)
Verwenden Sie INA128 mit Rg = 50k/ (G-1) = 50k/21,5 = 2,33 kOhm (verwenden Sie 2,32 kOhm 0,1%)
Ausgangsleistung bei 350 psi: Vout = 200 mV (350/500) 22,5 = 3,15 V
ADC-Auflösung: 5 V/4096 = 1,22 mV/LSB
Druckauflösung: 1,22 mV/22,5/200 mV * 500 psi = 0,136 psi/LSB
Sensorgenauigkeit: +/ -0,25% FS = +/-1,25 psi pro Datenblatt TEB
Gleichtaktspannung: Vex/2 = 5 V (INA128 verarbeitet 0-5 V Vcm bei 5-V-Versorgung)

Ergebnis: INA128 mit G = 22,5 bietet eine Auflösung von 0,14 psi. Der TEB-Sensor (+/-1,25 psi) dominiert die Systemgenauigkeit.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie den ratiometrischen Betrieb: Schließen Sie sowohl die ADC-Referenz als auch die Sensorerregung an dieselbe geregelte Spannung an. Wenn die Versorgung um +/- 5% schwankt, skalieren beide proportional und das Verhältnis Vout/Vex bleibt konstant gemäß Honeywell Technical Note HSC-AN-800
✓Für absolute Genauigkeit führen Sie eine Zweipunktkalibrierung bei Nulldruck und bekanntem Referenzdruck durch (NIST-rückführbarer Kalibrator), um sowohl Offset- als auch Verstärkungsfehler gemäß ISO 17025-Anforderungen zu korrigieren
✓Fügen Sie 100 nF-Keramikkondensatoren von jeder Erregerleitung zur Masse in der Nähe des Sensors hinzu, um hochfrequentes Rauschen beim PWM-Schalten herauszufiltern, das als Messrauschen auftreten würde

Häufige Fehler

✗Anlegen einer Erregung, die das Sensormaximum überschreitet: Eine Überspannung führt zu einer Selbsterhitzung der Brücke, wodurch sich der Nullpunkt um 0,1-1% FS verschiebt und die Genauigkeit verschlechtert; maximale Erregung (normalerweise 5-12 V) gemäß Herstellerdatenblatt überprüfen
✗Installation des Sensors in Bezug auf die kalibrierte Ausrichtung auf dem Kopf: Viele Sensoren verfügen bei der Nullkalibrierung über ein Eigengewicht der Membrane; eine Änderung der Ausrichtung führt zu einer Offset-Verschiebung, die der Membrandruckhöhe entspricht (0,1-1% FS bei flüssigkeitsgefüllten Sensoren)
✗Vernachlässigung der Gleichtaktspannung am Verstärkereingang: Der Brückenausgang läuft im Vex/2-Gleichtaktmodus; wählen Sie INA mit einem Eingangsbereich einschließlich Vex/2 auf Ihren Versorgungsschienen gemäß INA128-Datenblatt von Texas Instruments

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen Relativ-, Absolut- und Differenzdrucksensoren?

Manometersensoren messen relativ zum atmosphärischen Druck (Nullleistung bei 1 atm); werden für Reifendruck, Tankfüllstand und HLK verwendet. Absolute Sensoren messen relativ zum Vakuum (Ausgangsleistung Null bei 0 Pa); sie werden für Höhenmesser, Barometer und MAP-Sensoren verwendet. Differenzsensoren messen den Druckunterschied zwischen zwei Anschlüssen (positiv für P1>P2, negativ für P1<P2); werden zur Durchflussmessung, Filterüberwachung und HLK-Zonensteuerung verwendet. Die Honeywell HSC-Serie und Bosch BMP390 bieten alle drei Typen der jeweiligen Produktfamilie an.

Was ist thermischer Nullpunktversatz und wie wird er kompensiert?

Der thermische Nullpunktversatz ist eine Verschiebung der Brückenleistung bei Nulldruck, die durch ein temperaturbedingtes Widerstandsungleichgewicht verursacht wird. Gemäß IEC 61298 als typisch +/ -0,02% FS/C spezifiziert. Bei einem Temperaturbereich von über 100 °C entspricht dies einem FS-Fehler von 2%. Kompensationsmethoden: (1) analog mit Thermistor im Brückennetzwerk, (2) digital mit integriertem Temperatursensor plus Polynomkorrektur (integrierte Sensoren wie Honeywell HSC, Bosch BMP390). Digitale Sensoren erreichen +/- 0,5% TEB über den gesamten Temperaturbereich gegenüber +/- 2% bei unkompensierten analogen Sensoren.

Wie wähle ich die Brückenerregungsspannung aus?

Eine höhere Erregung führt zu einer größeren Leistung (besseres SNR), erhöht jedoch die Eigenerwärmung. Fehler bei der Eigenerwärmung = (Vex^2/Rbridge) * thermischer_resistance. Für eine 350-Ohm-Brücke bei 10 V: P = 100/350 = 286 mW. Bei einem Wärmewiderstand von 0,1 C/mW beträgt die Eigenerwärmung 28,6 °C, was bei einer Abweichung von 0,02% /C zu einem FS-Fehler von 0,6% führt. Standardverfahren: Verwenden Sie 5 V für Siliziumbrücken mit einer Nennleistung von maximal 5-10 V. Verwenden Sie für batteriebetriebene Anwendungen die empfohlene Mindestspannung (oft 3 V), um die Leistung pro Honeywell HSC-Energiesparmodus auf <26 mW zu reduzieren.