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圧力センサーブリッジ出力

励起電圧、感度、印加圧力からピエゾ抵抗式圧力センサーのホイートストンブリッジ出力電圧を計算します。

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公式

V_out = V_ex × S × (P/P_FS)

S — Sensitivity (mV/V)
P_FS — Full-scale pressure (kPa)

仕組み

ピエゾ抵抗式圧力センサは、シリコンまたは金属ダイアフラム上に拡散抵抗または薄膜歪み感受性抵抗器からなるホイートストンブリッジを備えています。加えられた圧力によってダイヤフラムがたわみ、抵抗が変化してブリッジのバランスが崩れます。ブリッジ出力電圧はV_out = V_ex × S × (P/P_FS) です。ここで、V_ex は励起電圧、S はブリッジ感度 (mV/V)、P は印加圧力、P_FS は定格フルスケール圧力です。フルスケール出力は V_FS = V_ex × S で、5 ～ 10 V の励起電圧では、通常は 10 ～ 100 mV です。V_outはV_ex/2の同相電圧に加えた差動ミリボルト信号なので、大きな同相成分を除去しながら差動信号を増幅するには計装アンプが必要です。温度はゼロオフセット (ゼロ圧力出力シフト) とスパン (感度変化) の両方に影響するため、通常は圧力センサーの近くに取り付けられた温度センサーを使用してアナログまたはデジタルで補償する必要があります。

計算例

問題：差圧センサーの感度は20mV/V、フルスケールは100kPaです。励起電圧は 5 V ですが、35 kPa での出力はどのくらいですか。また、3.3 V ADC にはどの程度のアンプゲインが必要ですか。
解決策:
1。フルスケール出力: V_FS = 5 V × 20 mV/V = 100 mV
2.35 kPa での出力: V_out = 100 mV × (35/100) = 35 mV
3.必要なアンプゲイン: G = 300 mV/100 mV = 33 V/V
4.増幅後の 35 kPa での出力: 35 mV × 33 = 1.155 V
5.フラクショナルたわみ: 35/100 = 35%
結果: ブリッジは 35 kPa で 35 mV を出力します。ゲインが 33 の場合、100 mV FS は 3.3 V の ADC フルスケールにマップされます。

実践的なヒント

  • ✓レシオメトリック演算を使用してください。ADCのリファレンスと圧力センサーの励起の両方を同じ安定化電圧に接続します。電源が変動しても、どちらも比例してスケーリングされ、V_out/V_ex の比率は一定に保たれます。
  • ✓絶対的な精度を得るには、2点校正（ゼロ圧力と既知の基準圧力）を実行して、オフセット誤差とゲイン誤差の両方を補正します。
  • ✓各励起ラインからセンサーに近いグランドに100 nFのセラミックコンデンサを追加して、圧力測定ノイズとして現れる高周波ノイズを除去します。

よくある間違い

  • ✗センサーの最大値を超える励起電圧を印加すると、過電圧によってブリッジ抵抗が自己発熱し、ゼロとスパンがシフトします。常に最大定格励起（通常5～12 V）を確認してください。
  • ✗定格方向に対してセンサーを逆さまに使用する場合 — 多くのセンサーはダイヤフラムの重量をゼロキャリブレーションに組み込んでいます。向きを変えると、ダイヤフラムの自重圧力に等しいゼロオフセットが発生します。
  • ✗計装アンプ入力のコモンモード電圧を無視すると、ブリッジ出力はV_ex/2コモンモードで動作します。電源にV_EX/2を含むコモンモード入力範囲のINAを選択してください。

よくある質問

ゲージ圧センサーは、大気圧を基準にして圧力を測定します（大気圧では出力はゼロ）。絶対値センサーは真空 (絶対圧がゼロ) を基準にして測定します。差動センサーは 2 つのポート間の圧力差を測定します。HVAC や流体の流れでは、差圧式とゲージ式が最も一般的で、高度計や気圧計では絶対圧センサーが使用されます。
サーマル・ゼロ・オフセットは、温度による抵抗の不均衡によって生じるゼロ圧力でのブリッジ出力のシフトです。この値はμV/V/°Cまたは% FS/°Cで規定されており、補償には通常、温度センサーとルックアップテーブルまたはファームウェアの多項式補正、または内部温度補償を行う内蔵デジタル圧力センサー (BMP390など) を使用します。
励起電圧が高いほど出力電圧は大きくなりますが（SNRは良くなります）、自己発熱が増加します。一般的には、定格が 5 ～ 10 V のシリコン・ブリッジ・センサーには 5 V DC 励起を使用し、バッテリー駆動のアプリケーションでは、消費電力を抑えるために推奨最小電圧で AC 励起を使用しますが、センサーが AC 励起に対応していることを確認してください。

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