Sensors2026年7月20日8分で読める

ロードセルアンプのゲイン:有用な電圧出力の取得

ADC 入力のロードセルアンプのゲインを計算します。感度、励起電圧、フルスケール出力、お使いの ADC レンジに合わせたゲインを網羅しています。

ロードセル信号が煩わしい理由

ロードセルは、工業用はかり、力測定装置、トルクセンサー、さらにはハッキングしたいと思っている浴室用はかりまで、いたるところに存在しています。信頼性が高く正確で、よく理解されている物理学に基づいています。しかし、生成される信号はきわめて小さいため、ほとんどのプロジェクトは横ばいになります。

一般的なロードセルは、金属要素に接着されたひずみゲージのホイートストンブリッジです。力を加えると、素子が変形して抵抗が変化し、差動電圧が出力されます。とてもシンプルに聞こえます。問題は感度です。ほとんどのロードセルは、フルスケールで1 mV/V～3 mV/Vの範囲を出力します。この「mV/V」という表記は、常に人をつまずかせるので、はっきりさせておきましょう。これは、最大定格負荷時の励起電圧1ボルトあたりの出力がミリボルトであることを意味します。

したがって、2 mV/V のロードセルを 5 V で励起し、その上に最大定格負荷をかけると、10 mV になります。これが全信号範囲です。3.3 V リファレンスを備えた 12 ビット ADC に 10 mV を供給してみると、4096 を約 12 カウント使用することになります。あまり良くありません。

シグナル・チェーン演算

実際に起きていることを詳しく見ていきましょう。ロードセルからのフルスケール出力電圧は次のようになります。

V_{FS} = V_{EX} \times S

ここで、 $V_{EX}$ は励起電圧、 $S$ はmV/V単位の感度です（計算を行うにはこれをV/Vに変換する必要があります。つまり、2 mV/Vは0.002 V/Vになります）。

増幅後:

V_{AMP} = V_{FS} \times G

ここで、 $G$ はアンプのゲインです。 $V_{AMP}$ をクリッピングせずにADCのフルスケール入力に近い値にしたい。

システム全体の感度 (単位負荷あたりのボルト数) は次のようになります。

\text{Sensitivity} = \frac{V_{AMP}}{F_{FS}}

ここで、 $F_{FS}$ は、作業している単位でのフルスケールの負荷です（kg、lb、N、一貫性があれば問題ありません）。

また、特定の ADC 入力範囲を対象としている場合は、逆算して必要なゲインを求めることもできます。

G_{required} = \frac{V_{ADC}}{V_{FS}}

実際に動作した例:100 kgのロードセル

例えば、感度が 2 mV/V の 100 kg ロードセルがあるとします。10 V 励起 (産業用セルではかなり一般的) を実行していて、5 V リファレンスを備えたマイクロコントローラ ADC に信号を供給したいとします。部品箱に INA125 計装アンプが入っています。

まず、フルスケール出力を探します。

V_{FS} = 10\text{ V} \times 0.002\text{ V/V} = 0.020\text{ V} = 20\text{ mV}

これが100kgでの信号スイング全体です。50 キロの場合、10 mV になります。1 kg の場合、200 µV になります。これが増幅が必要な理由です。

5 V ADC の範囲を満たすには、次のものが必要です。

G_{required} = \frac{5\text{ V}}{0.020\text{ V}} = 250

したがって、ゲインが250の場合、フルスケールの負荷は5Vになります。実際には、少し後退します。フルスケールで4.5Vを目指して余裕を持たせることもできます。これは225のゲインです。

さて、INA125は $G = 4 + \frac{60\text{k}\Omega}{R_G}$ に従って1本の抵抗でゲインを設定します。G = 250 の場合:

R_G = \frac{60000}{250 - 4} = \frac{60000}{246} \approx 244\text{ }\Omega

キットの内容にもよりますが、おそらく240 Ω または249 Ω の抵抗器を使用することになり、それぞれ254または245のゲインが得られます。十分近い。

ゲインを 250 にすると、システム感度は次のようになります。

\text{Sensitivity} = \frac{5\text{ V}}{100\text{ kg}} = 50\text{ mV/kg}

つまり、12ビットADCでは1グラムあたり20カウントに相当します。これはほとんどの計量アプリケーションに適した分解能です。

励起電圧のトレードオフ

励起電圧が高いほど信号も多くなり、これは素晴らしいことです。しかし、限界はあります。

ほとんどのロードセルでは、最大励起電圧 (多くの場合10Vまたは15V) が規定されていますが、これより高くなると、ひずみゲージが熱くなります。ブリッジの電力損失はP = V_EX² / R_bridge, で、350 Ω のブリッジを10Vにすると300mW近くになります。熱はどこかに行かなければならず、それによってロードセル本体に温度勾配が生じると、ドリフトが発生します。

励起電圧が低いと自己発熱は減少しますが、処理する信号は少なくなります。バッテリ駆動のアプリケーションでは、3.3 V または 5 V の励起が一般的ですが、もっとゲインが必要であることを受け入れるだけです。3.3 V 励起の 2 mV/V セルでは、フルスケールは 6.6 mV しか得られません。5 V ADC の範囲を満たすには、約 750 のゲインが必要です。

励起安定性の問題もあります。ロードセルの出力は励起電圧に比例します。励起電圧が 0.1% ドリフトすると、読み取り値も 0.1% ドリフトします。励起に高精度のリファレンスを使用するか、さらに良いのは、同じ電源を基準とするレシオメトリックADCを使用すれば、この誤差の原因がなくなります。

よくある間違いと落とし穴

mV/V 単位を忘れる

これはよく見かけます。誰かがデータシートで「2 mV/V」と読み込んで、あたかもボルトであるかのようにゲインの計算に2を代入します。その結果、ゲインは 1000 倍ずれています。アンプの出力は、予想していたボルト単位のマイクロボルトになり、ロードセルが故障していると確信して 1 時間を費やすことになります。

オフセット電圧を無視する

ロードセルのオフセットはゼロで、通常はフルスケールのパーセンテージとして指定されます。10 V 励起でオフセットが ± 0.05% のセルでは、負荷をかける前に±5 mVのオフセットが発生する可能性があります。ゲインが 250 の場合、ADC 入力のオフセットは ±1.25 V になります。ADC が負電圧を処理できない場合（ほとんどの単電源 MCU ADC では処理できません）、問題があります。

この問題を解決するには、AC カップリング (計量にはほとんど適していません)、レベルシフト、または最も一般的には、オフセットを受け入れてソフトウェアで校正するという方法があります。ただし、オフセット範囲と信号範囲の全範囲にわたって、アンプの出力がADCの入力範囲内にとどまるようにする必要があります。

ノイズを考慮せずにゲインを選択する

ゲインを高くすると、ノイズを含むすべてのものが増幅されます。ロードセルと配線が50 µVの干渉を受ける場合、ゲインが500の場合、ADCのノイズは25 mVのノイズになります。これは、12 ビットコンバータに複数の LSB を接続している場合があります。

計装アンプの入力換算ノイズも重要です。入力ノイズが50 nV/√Hz の安価なアンプは、10kHzの帯域幅で約5µV RMSになります。それほどひどいことではありませんが、合計すると大きくなります。INA125やAD620のような優れたロードセルアンプは、このアプリケーション向けに設計されており、ノイズも低くなっています。

ADCの前はフィルタリングしない

ロードセルの信号が遅い。キロヘルツ単位でも重量は変化しません (何か大きな問題が発生した場合を除きます)。ADCの前にあるシンプルなRCローパス・フィルタは、わずか1 kΩ で1.6kHzのカットオフで100nFでも、高周波ノイズを除去してエイリアシングを防ぎます。「ソフトウェアでフィルタリングする」という理由でこのステップを飛ばすのは面倒で、ダイナミックレンジが犠牲になります。

間違ったアンプ・トポロジーの使用

ロードセルは差動信号を出力します。シングルエンドのオペアンプ構成を使用すると、ロードセルがノイズの多い環境でも正常に動作するようになるコモンモード除去がなくなります。必ず計装アンプか、適切な差動/シングルエンドのフロントエンドを使用してください。

アンプのオーバードライブ

誰かが100kg体重計の上に立っていると、150kgの体重計が短時間見えることがあります。5 V で 100 kg になるようにゲインを設定すると、その過負荷によってアンプが 7.5 V に駆動されます。ただし、アンプはそこに行けないのでクリップします。クリッピングから正常に回復するアンプもあれば、戻るまでに数ミリ秒かかるアンプもあり、その間は測定値が無駄になります。過負荷の場合に備えて設計するか、保護回路を追加してください。

実用的なゲイン選択

ADC レンジの 100% を正確にターゲットにしないでください。オフセット、過負荷、および部品の許容誤差に余裕を持たせるため、80～ 90% を目指します。計算の結果 250 のゲインが必要であることがわかった場合は、代わりに 200 を使用することを検討してください。

また、自分の電圧範囲を食い尽くすようなアナログ・フィルタリングやレベル・シフトを行うかどうかも検討してください。信号を正に保つために 0.5 V オフセットを追加する場合、使用可能な範囲は 0 ～ 5 V ではなく 0.5 V ～ 5 V になります。

また、選択したアンプが実際に生成できるゲイン値を確認してください。INA125のゲイン方程式は、特定のゲインが他のゲインよりも簡単に得られることを意味します。200には標準の抵抗値が必要なのに対し、225には奇妙な抵抗値が必要だということに気付くかもしれません。

試してみてください

計算は難しくありませんが、単位エラーを起こしたり、1000の因数をどこかで忘れたりするのは簡単です。ロードセルアンプのゲイン計算ツールを開くで数値をすばやく確認できます。励起電圧、ロードセル感度、フルスケール負荷、推奨ゲインを入力すると、フルスケール出力、増幅電圧、システム感度、および5 V ADCの範囲に達するために必要なゲインがすぐにわかります。これは10秒かかるサニティチェックで、午後のデバッグ時間を短縮できるかもしれません。