Sensors1 de marzo de 20265 min de lectura

Cálculo de la salida del puente de Wheatstone para sensores de presión: una guía práctica

Aprenda a calcular el voltaje de salida del puente del sensor de presión a partir de la excitación, la sensibilidad y la presión aplicada. Incluye ejemplos prácticos y fórmulas.

Por qué es importante la salida del puente en la detección de presión

Si alguna vez has conectado un sensor de presión piezorresistivo y te has quedado mirando una señal a nivel de milivoltios preguntándote si la lectura es correcta, no estás solo. La mayoría de los sensores de presión MEMS y de lámina aglomerada utilizan un puente de Wheatstone en su interior, y la salida que se obtiene es una pequeña fracción del voltaje de excitación, que varía según la sensibilidad del puente y la relación entre la presión aplicada y la presión total.

Saber exactamente qué tensión se espera en la salida del puente es fundamental por varios motivos: diseñar la ganancia correcta del amplificador de instrumentación, establecer los rangos de entrada del ADC, presupuestar los márgenes de ruido y, simplemente, comprobar la integridad de las mediciones de banco. La calculadora [abrir la salida del puente del sensor de presión] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) de rftools.io hace que esto sea rápido y sin errores.

La matemática subyacente

Un puente de sensores de presión produce una tensión de salida que es proporcional a la presión aplicada. La relación es sencilla:

V_{out} = V_{ex} \times S \times \frac{P}{P_{FS}}

donde:

- $V_{ex}$ es el voltaje de excitación del puente (V) - $S$ es la sensibilidad del puente, que normalmente se especifica en mV/V a una presión máxima - $P$ es la presión aplicada (medida) - $P_{FS}$ es la clasificación de presión a escala real del sensor

La deflexión fraccional es simplemente la relación entre la presión aplicada y la presión total:

\text{Fractional Deflection} = \frac{P}{P_{FS}}

Y la salida a gran escala (FSO), la salida de puente máxima que jamás haya visto en el sensor, es:

V_{FSO} = V_{ex} \times S

Tenga en cuenta que la sensibilidad

S

suele expresarse en mV/V. Un sensor con una potencia nominal de 2 mV/V significa que, por cada voltio de excitación, el puente produce 2 mV de salida a una presión máxima. Se trata de una relación adimensional (milivoltios por voltio), por lo que hay que tener cuidado con las unidades.

Ejemplo resuelto: transmisor de presión industrial

Repasemos un escenario realista. Está integrando un sensor de presión piezorresistivo de silicio en un sistema de monitoreo hidráulico.

Dado:

Tensión de excitación del puente: $V_{ex} = 5.0\,\text{V}$ - Sensibilidad del puente: $S = 3.0\,\text{mV/V}$ (de la hoja de datos)
Presión a gran escala: $P_{FS} = 500\,\text{psi}$ - Presión aplicada: $P = 175\,\text{psi}$ Paso 1: salida a gran escala:
$V_{FSO} = 5.0 \times 3.0\,\text{mV/V} = 15.0\,\text{mV}$
Así que a 500 psi, el puente producirá 15 mV.

Paso 2: deflexión fraccionada:

\text{Fractional Deflection} = \frac{175}{500} = 0.35

El sensor funciona al 35% de su rango completo. Paso 3: salida de puente a 175 psi:

V_{out} = 5.0 \times 3.0 \times 10^{-3} \times 0.35 = 5.25\,\text{mV}

Esos 5,25 mV son los que deberías ver en los terminales de salida del puente. Si su amplificador de instrumentación tiene una ganancia de 200, la señal amplificada es

5.25\,\text{mV} \times 200 = 1.05\,\text{V}

, un nivel cómodo para un ADC de 3,3 V o 5 V.

Consideraciones prácticas de diseño

Elegir el voltaje de excitación correcto

Una excitación más alta significa una señal de salida más grande y una mejor relación señal/ruido. Sin embargo, las hojas de datos de los sensores especifican un voltaje de excitación máximo, a menudo de 10 V o 12 V para los sensores industriales y, a veces, solo de 1,5 V para los dispositivos MEMS de bajo consumo. Si se supera este límite, se produce un calentamiento automático, lo que introduce una deriva térmica y puede dañar permanentemente el elemento sensor. Una buena regla general: utilice la excitación más alta que permita el sensor, a menos que el consumo de energía sea una limitación.

Variación de sensibilidad

Los valores de sensibilidad de las hojas de datos son nominales. Los sensores reales vienen con una tolerancia que, en el caso de las unidades calibradas, suele ser de ±0,5 mV/V o más. En nuestro ejemplo de sensor con una potencia nominal de 3,0 mV/V ± 0,25 mV/V, la salida a gran escala podría oscilar entre 13,75 mV y 16,25 mV. Su cadena de acondicionamiento de señal debe adaptarse a este intervalo. Muchos diseños incluyen un paso de ajuste de ganancia del software o del hardware durante la calibración para normalizar la salida.

Tensión de compensación

Los puentes reales nunca están perfectamente equilibrados. Una especificación de compensación típica puede ser de ± 1 mV con una excitación de 5 V. Cuando la señal de interés es de solo 5,25 mV, un desfase de 1 mV representa un error del 19% si no se corrige. Mida siempre y reste (o ponga a cero automáticamente) el desfase del puente antes de interpretar la salida como presión.

Operando por debajo de la escala máxima

Resulta tentador elegir un sensor cuya presión total coincida exactamente con la presión máxima esperada. En la práctica, operar a una escala máxima del 50 al 80% te da margen para que se produzcan picos de presión y te mantiene en la región más lineal de la función de transferencia del sensor. Nuestro ejemplo funciona al 35% de la escala máxima, lo que es conservador, pero perfectamente adecuado para un sistema en el que el punto de funcionamiento normal es de 175 psi y los transitorios pueden alcanzar los 400 psi.

Cuándo usar esta calculadora

Esta herramienta es útil siempre que necesite:

Prediga la salida del puente para una presión de operación determinada durante el diseño del circuito
**Verifique las mediciones realizadas en el laboratorio: si la lectura del osciloscopio o del DMM no coincide con el valor calculado, es posible que tenga un problema de cableado, un sensor dañado o un problema de excitación
Ajusta la ganancia del amplificador: conocer el rango de salida esperado te permite ajustar la ganancia para que la señal amplificada llene el rango de entrada del ADC sin que se interrumpa
Compara sensores: conecta las especificaciones de diferentes proveedores y comprueba cuál te ofrece el mejor nivel de salida para tu presupuesto de excitación

Pruébalo

Conecta las especificaciones de tus propios sensores a la calculadora [abre la salida del puente del sensor de presión] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) y obtén resultados instantáneos sobre la salida puente, la salida a gran escala y la deflexión fraccionada. Es una forma rápida de validar tus suposiciones de diseño antes de poner en marcha la mesa, o de comprobar una lectura que no es del todo correcta.