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ロードセルアンプゲイン

ホイートストンブリッジ式ロードセルの出力電圧、必要アンプゲイン、感度を計算します。

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公式

V_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G

S — Sensitivity (mV/V)
V_ex — Excitation voltage (V)
G — Amplifier gain (V/V)

仕組み

ロードセルは、構造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を使用して、機械的負荷を電気信号に変換する力変換器です。ブリッジ出力は通常、mV/V単位の感度として規定されます。これは、フルスケール負荷時の励起電圧1ボルトあたりの出力電圧（mV/V）です。5 V 励起の 2 mV/V ロードセルは、フルスケールで 10 mV を生成します。このミリボルトレベルの信号でADCを駆動する必要があるため (多くの場合、5Vまたは3.3Vのフルスケール)、高精度の計装アンプが必要です。必要なゲインはG = V_ADC_FS/V_FSです。ここで、V_ADC_FSはADCのフルスケール電圧、V_FSはロードセルのフルスケール出力（ボルト単位）です。一般的なICには、INA125 (内蔵電圧リファレンス)、INA128、HX711 (24ビット、ADCを含む) などの専用ロードセルアンプなどがあります。ロードセルブリッジの電力損失は P = V_ex²/ (4R_ブリッジ) です。

計算例

問題：50kgのロードセルは、3.3Vリファレンスを12ビットADCに給電し、5Vの励起電圧に対して2mV/Vの感度を示します。必要なアンプのゲインと、グラム単位の分解能はどのくらいですか。
解決策:
1。フルスケール出力: V_FS = 2 mV/V × 5 V = 10 mV
2.必要なゲイン: G = 3300 mV/10 mV = 330 V/V
3.ADC ステップ: LSB = 3.3 V/4096 = 0.806 mV
4.LSBあたりの出力ステップ: 0.806 mV/330 = 2.44 μV
5.LSB あたりの負荷: (2.44 μV/10 mV) × 50 kg = 12.2 g/LSB
結果: 330のゲインを使用してください (例えば、R_G = 604/329 × 100 Ω ≈150 Ω の INA128)。分解能は ADC ステップあたり約 12 g です。

実践的なヒント

  • ✓組み込みシステムの場合、HX711 24ビットADC+アンプモジュールは、64または128のプログラマブルゲインを内蔵した完全なソリューションを非常に低コストで提供します。
  • ✓ロードセルとアンプの間の低レベル信号配線をシールドして、50/60 Hzのピックアップを減らし、励起線と信号線のペアを別々にねじってください。
  • ✓アセンブリ後にファームウェアのブリッジ出力をゼロにする — ハードウェアの取り付けによる機械的なプリロードによってゼロ点がずれるため、テア補正が必要になります。

よくある間違い

  • ✗アンプのゲイン帯域幅積のゲインを下げるのを忘れてしまうと、1MHzのGBWオペアンプでゲインが500になっても、帯域幅は2kHzしか残らないため、セトリングの問題が発生する可能性があります。
  • ✗4線式 (ケルビン) 励起センシングを省略 — 励起線のリード抵抗によってI × R_Leadに比例したゲイン誤差が生じますが、6線式リモートセンシングではこれがなくなります。
  • ✗中間電源リファレンスなしで単電源オペアンプを使用する場合、ブリッジ出力はゼロ付近で対称的に振れるため、負出力のクリッピングを避けるためにV_CC/2を基準とするレイルトゥレイルオペアンプが必要です。

よくある質問

mV/V（ミリボルト/ボルト）とは、フルスケール負荷がかかったときに、ロードセルがブリッジ励起1ボルトごとに指定されたミリボルト数を出力することを意味します。10 V 励起の 2 mV/V ロードセルは、フルスケールで 20 mV を生成します。この規格化された仕様により、出力は励起電圧の影響を受けません。
12ビットのADCを使うと、50kgのレンジで4096ステップの処理が可能で、分解能は約12gです。24 ビット ADC は 1,600 万ステップで、理論的にはサブミリグラム分解能ですが、ノイズ、機械的振動、および熱ドリフトにより、実際の分解能は通常 14 ～ 16 ビットに制限されます。1000 分の 1 を超える分解能を必要とする計量スケールには、適切な平均化機能を備えた 24 ビット ADC を使用してください。
ロードセルには使用できません。ホイートストンブリッジはフローティング差動出力を備えているため、差動構成の標準オペアンプでは、高い同相ノイズ除去比を実現するために正確にマッチングされた抵抗が必要です。計装アンプ (INA) は高精度な内部マッチング (CMRR > 90 dB) を備えており、必要な外付けゲイン抵抗は1つだけです。

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