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Sensor

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

Vout=Vex×S×(P/PFS)V_out = V_ex × S × (P/P_FS)
S— Sensibilité (mV/V)
P_FS— Pression totale (kPa)

Comment ça marche

Ce calculateur calcule la tension de sortie du pont de capteurs de pression piézorésistifs, essentielle pour les ingénieurs en contrôle de processus, les concepteurs de systèmes CVC et les intégrateurs de capteurs automobiles. Les capteurs de pression piézorésistifs contiennent un pont de Wheatstone composé de jauges de contrainte à diffusion ou à couche mince sur un diaphragme en silicium ou en acier. La pression appliquée fait fléchir le diaphragme, modifiant la résistance pour déséquilibrer le pont. La sortie est Vout = Vex S (P/Pfs), où Vex est la tension d'excitation (5-10 V typique), S est la sensibilité en mV/V (généralement 10-30 mV/V selon les recommandations OIML), P est la pression appliquée et Pfs est la pression totale. Un capteur de 20 mV/V sur une excitation de 5 V produit 100 mV à pleine échelle. Conformément à la norme IEC 61298, les spécifications des capteurs de pression incluent la précision (+/ -0,1 % à +/ -1 % FS), la non-linéarité (+/ -0,1-0,5 % FS), l'hystérésis (+/ -0,05 à 0,2 % FS) et le décalage thermique zéro (généralement +/ -0,02 % FS/C). Les capteurs industriels de Honeywell, Sensata et Bosch atteignent une plage d'erreur totale (TEB) de +/- 0,25 % FS entre -40 et +125 °C conformément à la certification automobile AEC-Q100.

Exemple Résolu

Problème : conditionnement du signal dimensionnel pour un capteur de pression Honeywell MLH500PSB01A (0-500 psi, sensibilité de 20 mV/V) dans un système hydraulique. L'excitation est de 10 V, l'ADC est de 12 bits avec une référence de 5 V.

Solution :

  1. Sortie pleine échelle : Vfs = 10 V * 20 mV/V = 200 mV
  2. Gain d'amplificateur requis : G = 4500 mV/200 mV = 22,5 V/V (laisser une marge pour le décalage)
  3. Utilisez INA128 avec Rg = 50 k/ (G-1) = 50 k/21,5 = 2,33 kOhm (utilisez 2,32 kOhm 0,1 %)
  4. Sortie à 350 psi : Vout = 200 mV (350/500) 22,5 = 3,15 V
  5. Résolution ADC : 5 V/4 096 = 1,22 mV/LSb
  6. Résolution de pression : 1,22 mV/22,5/200 mV * 500 psi = 0,136 psi/LSB
  7. Précision du capteur : +/- 0,25 % FS = +/- 1,25 psi par fiche technique TEB
  8. Tension en mode commun : Vex/2 = 5 V (l'INA128 gère 0 à 5 V Vcm sur une alimentation 5 V)
Résultat : INA128 avec G = 22,5 fournit une résolution de 0,14 psi. Le capteur TEB (+/- 1,25 psi) domine la précision du système.

Conseils Pratiques

  • ✓Utiliser le fonctionnement ratiométrique : connectez à la fois la référence ADC et l'excitation du capteur à la même tension régulée ; si l'alimentation fluctue de +/- 5 %, les deux évoluent proportionnellement et le rapport Vout/Vex reste constant conformément à la note technique HSC-AN-800 d'Honeywell
  • ✓Pour une précision absolue, effectuez un étalonnage en deux points à une pression nulle et à une pression de référence connue (calibrateur traçable par le NIST) afin de corriger les erreurs de décalage et de gain conformément aux exigences de la norme ISO 17025
  • ✓Ajoutez des condensateurs céramiques de 100 nF de chaque ligne d'excitation à la terre, à proximité du capteur, pour filtrer le bruit haute fréquence provenant de la commutation PWM qui apparaîtrait comme du bruit de mesure

Erreurs Fréquentes

  • ✗Application d'une excitation dépassant le maximum du capteur : une surtension provoque un auto-échauffement du pont, un décalage du zéro de 0,1 à 1 % FS et une dégradation de la précision ; vérifiez l'excitation maximale (généralement 5 à 12 V) conformément à la fiche technique du fabricant
  • ✗Installation du capteur à l'envers par rapport à l'orientation calibrée : de nombreux capteurs incluent un poids mort du diaphragme en cas d'étalonnage nul ; le changement d'orientation entraîne un décalage égal à la hauteur de pression du diaphragme (0,1-1 % FS pour les capteurs remplis de liquide)
  • ✗Négliger la tension en mode commun à l'entrée de l'amplificateur : la sortie du pont fonctionne en mode commun Vex/2 ; choisissez INA avec une plage d'entrée incluant Vex/2 sur vos rails d'alimentation, conformément à la fiche technique INA128 de Texas Instruments

Foire Aux Questions

Les capteurs de jauge mesurent par rapport à la pression atmosphérique (sortie nulle à 1 atm) ; ils sont utilisés pour la pression des pneus, le niveau du réservoir, le système CVC. Les capteurs absolus mesurent par rapport au vide (sortie nulle à 0 Pa) ; utilisés pour les altimètres, les baromètres et les capteurs MAP. Les capteurs différentiels mesurent la différence de pression entre deux ports (positive pour P1>P2, négative pour P1<P2) ; utilisés pour la mesure du débit, la surveillance des filtres, le contrôle de la zone CVC. Les séries Honeywell HSC et Bosch BMP390 proposent les trois types selon leurs familles de produits respectives.
Le décalage thermique zéro est un décalage de la sortie du pont à une pression nulle causé par un déséquilibre de résistance induit par la température. Spécifié comme +/- 0,02 % FS/C typique selon la norme IEC 61298. Au-delà de 100 °C, il s'agit d'une erreur FS de 2 %. Méthodes de compensation : (1) analogique utilisant une thermistance dans un réseau en pont, (2) numérique utilisant un capteur de température intégré à la puce et une correction polynomiale (capteurs intégrés tels que Honeywell HSC, Bosch BMP390). Les capteurs numériques atteignent +/- 0,5 % TEB sur toute la plage de température, contre +/- 2 % pour les capteurs analogiques non compensés.
Une excitation plus élevée donne une sortie plus importante (meilleur SNR) mais augmente l'auto-échauffement. Erreur d'auto-échauffement = (Vex^2/Rbridge) * thermal_resistance. Pour un pont de 350 ohms à 10 V : P = 100/350 = 286 mW. Avec une résistance thermique de 0,1 C/mW, l'auto-échauffement est de 28,6 °C, ce qui entraîne une erreur FS de 0,6 % avec une dérive de 0,02 % /C. Pratique standard : utilisez 5 V pour les ponts en silicium d'une valeur maximale de 5 à 10 V. Pour les applications alimentées par batterie, utilisez la tension minimale recommandée (souvent 3 V) pour réduire la puissance à moins de 26 mW par mode basse consommation Honeywell HSC.

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