圧力センサのホイートストンブリッジ出力の計算:実用ガイド

圧力センシングにおいてブリッジ出力が重要な理由

ピエゾ抵抗型圧力センサーを配線し、ミリボルトレベルの信号を見て、測定値が正しいかどうか疑問に思ったことがあるなら、それはあなただけではありません。ほとんどのMEMSおよびボンドフォイル圧力センサーは内部にホイートストンブリッジを使用しており、表示される出力は励起電圧のごく一部であり、ブリッジの感度と加えられた圧力とフルスケール圧力の比率によってスケーリングされます。

ブリッジ出力で期待される電圧を正確に理解することが重要になる理由はいくつかあります。たとえば、正しい計装アンプのゲインの設計、ADCの入力範囲の設定、ノイズマージンの調整、ベンチ測定の健全性チェックなどです。rftools.io の [圧力センサーブリッジ出力を開く] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) 計算機を使うと、これを迅速かつエラーなく行うことができます。

基礎となる数学

圧力センサーブリッジは、加えられた圧力に比例した出力電圧を生成します。この関係は単純明快です。

「MATHBLOCK_0」

どこ:

-「MATHINLINE_6」はブリッジの励起電圧 (V) です -「MATHINLINE_7」はブリッジの感度で、通常はフルスケール圧力でのmV/V単位で指定されます -「MATHINLINE_8」は加えられた (測定された) 圧力です -「MATHINLINE_9」はセンサーのフルスケール圧力定格です

分数たわみは、単純に加えられた圧力とフルスケール圧力の比率です。

「マスブロック_1」

そして、フルスケール出力 (FSO) は、これまでセンサーから得られるブリッジ出力の最大値で、次のようになります。

「MATHBLOCK_2」

感度「MATHINLINE_10」は通常 mV/V で表されますが、定格が 2 mV/V のセンサーの場合、ブリッジはフルスケール圧力で 1 ボルトの励起ごとに 2 mV の出力を生成します。これは無次元の比率 (ミリボルト/ボルト) なので、単位には注意が必要です。

使用例:産業用圧力トランスミッタ

現実的なシナリオを見ていきましょう。シリコンピエゾ抵抗圧力センサーを油圧監視システムに組み込んでいます。

提供: -ブリッジ励起電圧:「マチンライン_11」 -ブリッジ感度:「MATHINLINE_12」(データシートより) -フルスケール圧力:「マチンライン_13」 -適用圧力:「マチンライン_14」 ステップ 1 — フルスケール出力:

「マスブロック_3」

つまり、500 psi の場合、ブリッジは 15 mV を生成します。

ステップ 2 — 分数たわみ:

「マスブロック_4」

センサーはフルスケール範囲の 35% で動作しています。

ステップ 3 — 175 psi でのブリッジ出力:

「MATHBLOCK_5」

ブリッジ出力端子の両端には 5.25 mV という値が表示されるはずです。使用している計装アンプのゲインが200の場合、増幅された信号は「MATHINLINE_15」になります。これは、3.3 V または 5 V の ADC としては適切なレベルです。

実用的な設計上の考慮事項

適切な励起電圧の選択

励起電圧が高いほど、出力信号が大きくなり、信号対雑音比が向上します。ただし、センサーのデータシートには最大励起電圧が規定されています。産業用センサーでは10 Vまたは12 V、低電力 MEMS デバイスではわずか 1.5 V の場合もあります。これを超えると自己発熱が発生し、熱ドリフトが発生してセンシング素子に永久的な損傷を与える可能性があります。経験則としては、消費電力に制約がない限り、センサーが許容する最大限の励起を使用してください。

感度のばらつき

データシートの感度値は公称値です。実際のセンサーは出荷時の許容誤差があり、キャリブレーションされたユニットの場合は±0.5 mV/V以上になることがよくあります。この例では、定格が 3.0 mV/V ±0.25 mV/V のセンサーの場合、フルスケール出力は 13.75 mV から 16.25 mV の範囲になります。使用するシグナルコンディショニングチェーンは、このスパンに対応する必要があります。多くの設計では、出力を正規化するために、キャリブレーション中にソフトウェアまたはハードウェアのゲイン調整ステップが組み込まれています。

オフセット電圧

実際のブリッジは決して完全にバランスが取れていません。標準的なオフセット仕様は、5 V 励起時の ±1 mV です。対象となる信号がわずか 5.25 mV の場合、1 mV のオフセットをそのままにしておくと 19% の誤差になります。出力を圧力と解釈する前に、必ずブリッジオフセットを測定して減算 (または自動ゼロ化) してください。

フルスケール以下での動作

フルスケールの圧力が予想される最大圧力と完全に一致するセンサーを選びたくなりがちです。実際には、フルスケールの 50 ～ 80% で動作させると、圧力スパイクに対する余裕があり、センサーの伝達関数の最も直線的な領域にとどまります。この例ではフルスケールの 35% で動作します。これは控えめですが、175 psi が通常の動作点で、トランジェントが 400 psi に達する可能性があるシステムではまったく問題ありません。

この電卓をいつ使うべきか

このツールは次のようなことが必要なときにいつでも役に立ちます。

-回路設計時に与えられた動作圧力に対するブリッジ出力の予測 -ベンチ測定の検証 — スコープや DMM の読み取り値が計算値と一致しない場合は、配線の問題、センサーの損傷、または励起の問題がある可能性があります -アンプのゲインを決める — 予想される出力範囲がわかれば、増幅された信号がクリッピングすることなくADCの入力範囲を満たすようにゲインを設定できます。 -センサーの比較 — さまざまなベンダーの仕様を組み込んで、どのベンダーが励起予算内で最適な出力レベルが得られるかを確認しましょう

試してみる

独自のセンサー仕様を [圧力センサーブリッジ出力を開く] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) 計算機に接続すると、ブリッジ出力、フルスケール出力、および分数たわみの結果がすぐに得られます。これにより、ベンチの電源を入れる前に設計上の仮定をすばやく検証したり、正しくない読み取り値を再確認したりできます。