Salida del Puente de Sensor de Presión
Calcula el voltaje de salida del puente Wheatstone para sensores de presión piezoresistivos a partir de excitación, sensibilidad y presión aplicada.
Fórmula
V_out = V_ex × S × (P/P_FS)
Cómo Funciona
Los sensores de presión piezorresistivos contienen un puente de Wheatstone de resistencias sensibles a la deformación de película delgada o difusa sobre un diafragma metálico o de silicio. La presión aplicada desvía el diafragma, lo que provoca cambios en la resistencia que desequilibran el puente. La tensión de salida del puente es V_out = V_ex × S × (P/P_FS), donde V_ex es la tensión de excitación, S es la sensibilidad del puente en mV/V, P es la presión aplicada y P_FS es la presión nominal total. La salida a gran escala es V_FS = V_ex × S, normalmente de 10 a 100 mV para una excitación de 5 a 10 V. Como V_out es una señal diferencial en milivoltios que se añade a una tensión de modo común de V_ex/2, se necesita un amplificador de instrumentación para amplificar la señal diferencial y rechazar el componente grande del modo común. La temperatura afecta tanto a la compensación cero (cambios de salida con presión cero) como a la amplitud (cambios de sensibilidad), por lo que normalmente se requiere una compensación analógica o digital mediante un sensor de temperatura montado cerca del sensor de presión.
Ejemplo Resuelto
Problema: un sensor de presión diferencial tiene una sensibilidad de 20 mV/V y una escala completa de 100 kPa. La excitación es de 5 V. ¿Cuál es la salida a 35 kPa y qué ganancia de amplificador se necesita para un ADC de 3,3 V? Solución: 1. Salida a escala completa: V_FS = 5 V × 20 mV/V = 100 mV 2. Salida a 35 kPa: V_out = 100 mV × (35/100) = 35 mV 3. Ganancia de amplificador requerida: G = 3300 mV/100 mV = 33 V/V 4. Salida a 35 kPa después de la amplificación: 35 mV × 33 = 1.155 V 5. Deflexión fraccionada: 35/100 = 35% Resultado: el puente emite 35 mV a 35 kPa; una ganancia de 33 asigna el FS de 100 mV al ADC de 3,3 V a escala completa.
Consejos Prácticos
- ✓Utilice la operación radiométrica: conecte tanto la referencia del ADC como la excitación del sensor de presión a la misma tensión regulada. Si el suministro fluctúa, ambos escalan proporcionalmente y la relación V_out/V_ex permanece constante.
- ✓Para obtener una precisión absoluta, realice una calibración de dos puntos (presión cero y presión de referencia conocida) para corregir los errores de compensación y ganancia.
- ✓Agregue un condensador cerámico de 100 nF desde cada línea de excitación a tierra, cerca del sensor, para filtrar el ruido de alta frecuencia que, de otro modo, aparecería como ruido de medición de presión.
Errores Comunes
- ✗Aplicar un voltaje de excitación superior al máximo del sensor: la sobretensión provoca el autocalentamiento de las resistencias del puente, desplazando el cero y el intervalo; compruebe siempre la excitación nominal máxima (normalmente de 5 a 12 V).
- ✗Usar el sensor al revés en relación con su orientación nominal: muchos sensores incluyen el peso del diafragma en la calibración cero; los cambios de orientación provocan una compensación cero igual a la presión de peso muerto del diafragma.
- ✗Sin tener en cuenta el voltaje de modo común en la entrada del amplificador de instrumentación: la salida del puente funciona en el modo común V_ex/2; elija un INA con un rango de entrada de modo común que incluya V_ex/2 en su fuente de alimentación.
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre los sensores de presión manométrica, absoluta y diferencial?
Los sensores de presión manométrica miden la presión en relación con la presión atmosférica (la salida es cero a la atmosférica). Los sensores absolutos miden en relación con el vacío (presión absoluta cero). Los sensores diferenciales miden la diferencia de presión entre dos puertos. En el caso de los sistemas de climatización y de flujo de fluido, los más comunes son los de tipo diferencial y manométrico; en el caso de los altímetros y barómetros, se utilizan sensores de presión absoluta.
¿Qué es la compensación térmica cero y cómo se compensa?
La compensación térmica cero es el cambio en la salida del puente a presión cero causado por un desequilibrio de resistencia inducido por la temperatura. Se especifica en μV/v/°C o% FS/°C. La compensación suele utilizar un sensor de temperatura más una tabla de consulta o una corrección polinomial en el firmware, o un sensor de presión digital integrado (por ejemplo, el BMP390) que realiza una compensación de temperatura interna.
¿Cómo selecciono el voltaje de excitación del puente?
Una excitación más alta proporciona un voltaje de salida mayor (mejor SNR) pero aumenta el autocalentamiento. La práctica habitual es utilizar una excitación de 5 V de corriente continua para los sensores de puente de silicio con una potencia nominal de 5 a 10 V. Para aplicaciones que funcionan con baterías, utilice la excitación de corriente alterna a la tensión mínima recomendada para reducir el consumo de energía, pero asegúrese de que el sensor esté clasificado para la excitación de corriente alterna.
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