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Sortie du Pont de Capteur de Pression

Calcule la tension de sortie du pont Wheatstone pour capteurs de pression piézorésistifs à partir de l'excitation, sensibilité et pression appliquée.

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Formule

V_out = V_ex × S × (P/P_FS)

S— Sensitivity (mV/V)

P_FS— Full-scale pressure (kPa)

Comment ça marche

Les capteurs de pression piézorésistifs contiennent un pont de Wheatstone composé de résistances sensibles à la déformation diffuses ou à couches minces sur un diaphragme en silicium ou en métal. La pression appliquée fait fléchir le diaphragme, provoquant des changements de résistance qui déséquilibrent le pont. La tension de sortie du pont est V_out = V_ex × S × (P/P_FS), où V_ex est la tension d'excitation, S est la sensibilité du pont en mV/V, P est la pression appliquée et P_FS est la pression nominale pleine échelle. La sortie pleine échelle est V_FS = V_ex × S, généralement de 10 à 100 mV pour une excitation de 5 à 10 V. Étant donné que V_out est un signal différentiel en millivolts au-dessus d'une tension de mode commun de V_ex/2, un amplificateur d'instrumentation est nécessaire pour amplifier le signal différentiel tout en rejetant la grande composante de mode commun. La température influe à la fois sur le décalage zéro (décalage de sortie à pression nulle) et sur la plage (changements de sensibilité), ce qui nécessite généralement une compensation analogique ou numérique à l'aide d'un capteur de température monté à proximité du capteur de pression.

Exemple Résolu

Problème : Un capteur de pression différentielle a une sensibilité de 20 mV/V et une pleine échelle de 100 kPa. L'excitation est de 5 V. Quelle est la sortie à 35 kPa et quel gain d'amplificateur est nécessaire pour un ADC de 3,3 V ? Solution : 1. Sortie pleine échelle : V_FS = 5 V × 20 mV/V = 100 mV 2. Sortie à 35 kPa : V_out = 100 mV × (35/100) = 35 mV 3. Gain d'amplificateur requis : G = 3300 mV/100 mV = 33 V/V 4. Sortie à 35 kPa après amplification : 35 mV × 33 = 1,155 V 5. Déflexion fractionnée : 35/100 = 35 % Résultat : le pont produit 35 mV à 35 kPa ; un gain de 33 mappe le convertisseur ADC 100 mV FS à 3,3 V à pleine échelle.

Conseils Pratiques

✓Utilisez le fonctionnement ratiométrique : connectez à la fois la référence ADC et l'excitation du capteur de pression à la même tension régulée. Si l'offre fluctue, les deux évoluent proportionnellement et le ratio V_out/V_ex reste constant.
✓Pour une précision absolue, effectuez un étalonnage en deux points (pression nulle et pression de référence connue) pour corriger les erreurs de décalage et de gain.
✓Ajoutez un condensateur céramique de 100 nF de chaque ligne d'excitation à la terre, à proximité du capteur, pour filtrer le bruit haute fréquence qui apparaîtrait autrement comme du bruit de mesure de pression.

Erreurs Fréquentes

✗Appliquer une tension d'excitation supérieure au maximum du capteur : une surtension provoque un auto-échauffement des résistances du pont, décalant le zéro et la plage ; vérifiez toujours l'excitation nominale maximale (généralement de 5 à 12 V).
✗Utiliser le capteur à l'envers par rapport à son orientation nominale : de nombreux capteurs incluent le poids du diaphragme dans l'étalonnage à zéro ; les changements d'orientation entraînent un décalage de zéro égal à la pression du poids mort du diaphragme.
✗En négligeant la tension en mode commun à l'entrée de l'amplificateur d'instrumentation, la sortie du pont fonctionne en mode commun V_ex/2 ; choisissez un INA avec une plage d'entrée en mode commun qui inclut V_ex/2 sur votre alimentation.

Foire Aux Questions

Quelle est la différence entre un capteur de pression manométrique, un capteur de pression absolue et un capteur de pression différentielle ?

Les capteurs de pression manométrique mesurent la pression par rapport à la pression atmosphérique (la sortie est nulle à l'atmosphère). Les capteurs absolus mesurent par rapport au vide (pression absolue nulle). Les capteurs différentiels mesurent la différence de pression entre deux ports. Pour le CVC et le débit de fluide, les types de différentiel et de manomètre sont les plus courants ; pour les altimètres et les baromètres, des capteurs de pression absolue sont utilisés.

Qu'est-ce que le décalage thermique zéro et comment est-il compensé ?

Le décalage thermique zéro est le décalage de la sortie du pont à une pression nulle causé par un déséquilibre de résistance induit par la température. Elle est spécifiée en μV/V/°C ou en % FS/°C. La compensation utilise généralement un capteur de température plus une table de référence ou une correction polynomiale dans le microprogramme, ou un capteur de pression numérique intégré (par exemple, le BMP390) qui effectue une compensation de température interne.

Comment sélectionner la tension d'excitation du pont ?

Une excitation plus élevée donne une tension de sortie plus élevée (meilleur SNR) mais augmente l'auto-échauffement. La pratique habituelle consiste à utiliser une excitation de 5 V en courant continu pour les capteurs à pont en silicium d'une capacité nominale de 5 à 10 V. Pour les applications alimentées par batterie, utilisez une excitation en courant alternatif à la tension minimale recommandée pour réduire la consommation d'énergie, mais vérifiez que le capteur est conçu pour une excitation en courant alternatif.

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