圧力センサ用ホイートストンブリッジ出力

圧力センシングで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。ほとんどのエンジニアがその場に行ったことがあります。MEMSとボンドフォイル圧力センサーは内部で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。

ここで重要なのは、ブリッジ出力に期待される電圧を正確に理解することは、学術的なことだけではないということです。正しい計装アンプのゲインの設計、ADC 入力範囲の設定、ノイズ・マージンの予算設定、そして単にベンチでの測定値の健全性チェックを行うためには、このことが極めて重要です。予想される出力を先に計算しておけば回避できたはずのデバッグ・セッションをあまりにも多く見てきました。rftools.io の 圧力センサーブリッジ出力を開く 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。

1 桁のミリボルト範囲の信号を扱う場合、細部まですべてが大切になります。1 mV のオフセットの上に 5 mV の信号と 0.5 mV のノイズがあっても、誤差の余地はあまりありません。オシロスコープを使って調べ始める前に、探しているものを知っておく必要があります。

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。

どこ:

-$V_{ex}$はブリッジ励起電圧 (V) -$S$はブリッジの感度で、通常はフルスケール圧力で mV/V 単位で規定されています。 -$P$は加えられた (測定された) 圧力です -$P_{FS}$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。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。感度$S$は通常 mV/V で表されますが、定格が 2 mV/V のセンサーでは、励起電圧が 1 ボルトあたり、ブリッジはフルスケール圧力で 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。誰かがmV/Vを実際の電圧単位があるかのように扱い、最終的にゲイン計算が1000倍ずれている設計を複数デバッグしました。

この定式化の利点は、その直線性です。圧力は2倍、出力は2倍。励起電圧の半分、出力の半分。これで計算はわかりますが、実際のセンサーは、動作範囲が極端になると、この理想的な動作から外れることを覚えておいてください。

実際の例: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。製造工場でライン圧力を測定している場合や、空気圧制御システムを監視している場合があります。

与えられた: -ブリッジ励起電圧:$V_{ex} = 5.0\,\text{V}$-ブリッジ感度:$S = 3.0\,\text{mV/V}$(データシートより) -フルスケール圧力:$P_{FS} = 500\,\text{psi}$-適用圧力:$P = 175\,\text{psi}$ステップ 1 — フルスケール出力:つまり、500 psi の場合、ブリッジは 15 mV を生成します。これが、このセンサー構成の理論上の最大出力です。この値より高い値は何かが間違っていることを意味します。励起電圧の設定が高すぎるか、ブリッジに障害がある可能性があります。 ステップ 2 — 分数たわみ:センサーはフルスケール範囲の 35% で動作しています。これは実際にはかなり快適な操作ポイントです。圧力スパイクに対する十分なヘッドルームがあり、ノイズフロアをはるかに上回っています。 ステップ 3 — 175 psi でのブリッジ出力: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$5.25\,\text{mV} \times 200 = 1.05\,\text{V}$で、3.3 V または 5 V の ADC としては快適なレベルです。3.3 V ADC レンジの約 30% を使用していますが、これは妥当ですが、分解能を高めたい場合はゲインを上げる余地があります。

この例は、なぜ増幅が必要なのかも示しています。5.25 mV の信号を 3.3 V リファレンスを備えた 12 ビット ADC に直接供給しても、記録されるのは約 6 カウントだけです。これはひどい分解能です。ゲインが200の場合、約1200カウントを使用することになり、効果的な解像度が大幅に向上します。

実用的な設計上の考慮事項

適切な励起電圧の選択

励起が大きいほど、出力信号が大きくなり、信号対雑音比が向上します。これが単純な物理特性です。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。

自己発熱は現実の現象であり、巧妙です。ブリッジの抵抗器は電力を放散し、その電力は熱に変わります。10 V で動作する 350 Ω のブリッジ素子は約 285 mW を消費しますが、これは小さなシリコンダイに集中していることに気付くまでは、大したことには思えません。その熱によって抵抗値が変化し、測定システムにとっては圧力が変化したように見えます。

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。バッテリ駆動のアプリケーションでは、3.3 V 以下に戻したほうがいいかもしれません。ライン駆動の産業用ギアの場合は、定格最大値まで上げてください。

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。製造テスト中に実際の感度を測定し、補正係数をEEPROMまたはフラッシュに保存して、ファームウェアに適用します。これは精密機器では標準的な方法ですが、コストと複雑さが増します。それほど要求が厳しくないアプリケーションでは、ADCとアンプが許容範囲全体に対応し、精度が低下しても許容範囲に収まるように仕様を組むこともできます。

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。これはとてつもなく大きいです。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) してください。

一部の計装アンプにはオフセットのゼロ化機能が組み込まれています。また、補正電流を注入するために外部トリム・ポットまたはDACが必要なものもあります。最も簡単な方法は、キャリブレーション中にゼロ圧力出力を測定し、それをソフトウェアで減算することです。システムがオフセット範囲全体を処理できることを確認してください。オフセットによって範囲外に押し出されてアンプがクリップした場合、行き詰まります。

温度はこれをさらに悪化させます。ブリッジのオフセットは温度 (通常は摂氏 1 度あたり数マイクロボルト) に比例して変動します。研究室での作業では、これは問題にならないかもしれません。シフト中に周囲温度が 40°C 変動する工場の床に置かれているものについては、そのオフセットを温度補正するか、レシオメトリック測定技術を使用してオフセットを相殺する必要があります。

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。効率的だと思いますよね？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生まれ、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。

私が知っている産業システムに関わったエンジニアのほとんどが、「ありえない」圧力スパイクが発生し、誰かがエッジに近すぎるスペックを設定したためにセンサーが破壊されたという話をしています。油圧システムはこのことで有名です。バルブを閉じると、数ミリ秒間、定常状態の圧力の2倍の圧力過渡現象が発生することがあります。余裕があって、それを必要としない方が良いでしょう。

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データシートを持ってシグナルチェーンをスケッチしていて、どの電圧を扱っているのかを知る必要があります。数字を入力して答えを見つけたら、次に進みましょう。

ベンチ測定の検証 — スコープまたは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。これは、圧力測定値が正しく表示されないときに最初に確認することの 1 つです。本来あるべき姿を計算し、それが何であるかを測定し、比較してください。センサーの許容値よりもずれている場合は、デバッグを開始してください。 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。ゲインが小さすぎると、ADC ビットが無駄になります。ゲインが大きすぎると、有効な圧力測定値が失われてしまいます。最初から正しく設定してください。 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、どのベンダーの出力レベルが御社の励起予算で最適かを確認してください。感度は低いが最大励起値が高いセンサーの方が、感度は高くても励起制限が厳しいセンサーよりも信号が良くなることがあります。

試してみてください

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 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。この計算機をブックマークしておくのは、手作業で計算するよりも速く、mV/V仕様を扱うときに必ず発生しそうな単位変換エラーがなくなるからです。