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Sensor

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

Vout=Vex×S×(P/PFS)V_out = V_ex × S × (P/P_FS)
S— 感度 (mV/V)
P_FS— フルスケールの圧力 (kPa)

仕組み

この計算機は、プロセス制御エンジニア、HVACシステム設計者、および自動車用センサーインテグレーターにとって不可欠なピエゾ抵抗圧力センサーブリッジ出力電圧を計算します。ピエゾ抵抗式圧力センサは、シリコンまたはスチールのダイヤフラム上に拡散歪みゲージまたは薄膜ひずみゲージからなるホイートストンブリッジを備えています。圧力を加えると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。出力はVout = Vex S (P/Pfs) で、ここでVexは励起電圧 (標準5～10V)、SはmV/V単位の感度 (OIMLの推奨値では通常10〜30mV/V)、Pは加えられた圧力、Pfsはフルスケール圧力です。5 V 励起の 20 mV/V センサーは、フルスケールで 100 mV を生成します。IEC 61298によると、圧力センサーの仕様には、精度 (+/-0.1から+/ -1% FS)、非直線性 (+/ -0.1-0.5% FS)、ヒステリシス (+/ -0.05-0.2% FS)、およびサーマルゼロシフト (通常+/ -0.02% FS/C) が含まれます。ハネウェル、センサータ、ボッシュの産業用センサは、AEC-Q100自動車規格に準拠した-40℃～+125℃にわたって、トータルエラーバンド（TEB）が+/ -0.25% FSに達しました。

計算例

問題：油圧システムのハネウェルMLH500PSB01A圧力センサー（0-500 psi、感度20 mV/V）のサイズシグナルコンディショニング。励起電圧は10V、ADCは5Vリファレンスで12ビットです。

解決策: 1。フルスケール出力:Vfs = 10V * 20 mV/V = 200 mV 2.必要なアンプゲイン:G = 4500 mV/200 mV = 22.5 V/V (オフセット用にヘッドルームを残しておく) 3.Rg = 50k/ (G-1) = 50k/21.5 = 2.33 kOhm で INA128 を使用 (2.32 kOhm 0.1% を使用) 4.350 psi での出力:出力 = 200 mV (350/500) 22.5 = 3.15V 5.ADC 解像度:5V/4096 = 1.2 mV/LSB 6.圧力分解能:1.22 mV/22.5/200 mV* 500 psi = 0.136 psi/LSB 7.センサー精度:+/ -0.25% FS = データシートあたり +/-1.25 psi TEB 8.コモンモード電圧:Vex/2 = 5V (INA128 は 5V 電源で 0-5V Vcm を処理します)

結果:G = 22.5 の INA128 では 0.14 psi の分解能が得られます。センサー TEB (+/-1.25 psi) がシステム精度を支配します。

実践的なヒント

  • ✓レシオメトリック動作を使用：ADCリファレンスとセンサー励起の両方を同じ安定化電圧に接続します。電源が+/ -5% 変動しても、ハネウェルのテクニカルノートHSC-AN-800によると、どちらも比例してスケーリングされ、Vout/Vex比は一定に保たれます
  • ✓絶対的な精度を得るには、ゼロ圧力と既知の基準圧で2点校正を行い（NISTトレーサブル校正器）、ISO 17025要件に従っ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、測定ノイズとして現れるPWMスイッチングによ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を適用した場合:過電圧によりブリッジが自己発熱し、ゼロが 0.1-1% FS シフトして精度が低下します。メーカーのデータシートに従って最大励起 (通常5～12V) を確認してください。
  • ✗校正された向きに対して逆さまにセンサーを取り付ける：多くのセンサーでは、ゼロキャリブレーションでダイヤフラムの自重があります。向きを変えると、ダイヤフラムの圧力ヘッドと同じオフセットシフトが発生します（液体で満たされたセンサーの場合、0.1-1% FS）
  • ✗アンプ入力のコモンモード電圧を無視：ブリッジ出力はVex/2コモンモードで動作します。テキサス・インスツルメンツのINA128データシートによると、電源レールの入力範囲にVex/2を含むINAを選択してください

よくある質問

ゲージセンサーは大気圧（1気圧でゼロ出力）を基準にして測定します。タイヤの空気圧、タンクレベル、HVACに使用されます。絶対値センサーは真空を基準にして測定します (0 Pa でゼロ出力)。高度計、気圧計、MAP センサーに使用されます。差動センサーは 2 つのポート間の圧力差 (P1>P2 は正、P1<P2 は負) を測定します。流量測定、フィルター監視、HVAC ゾーン制御に使用されます。ハネウェルのHSCシリーズとBosch BMP390は、それぞれの製品ファミリごとに3つのタイプすべてを提供しています。
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。IEC 61298 に従い、標準で +/ -0.02% FS/C と規定されています。100 °C の範囲を超えると、これは 2% の FS エラーになります。補償方法:(1) ブリッジネットワークのサーミスタを使用したアナログ、(2) オンチップ温度センサーを使用したデジタル、および多項式補正 (Honeywell HSC、Bosch BMP390などの統合センサー)。デジタルセンサーは全温度範囲で +/ -0.5% の TEB を達成するのに対し、非補償アナログセンサーでは +/ -2% です。
励起が大きいほど出力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。自己発熱誤差 = (Vex^2/Rブリッジ) * 熱抵抗10 ボルトの 350 オームブリッジの場合:P = 100/350 = 286 mW。熱抵抗が 0.1 C/mW の場合、自己発熱は 28.6 ℃になり、0.02% /C のドリフトで 0.6% のFS 誤差が発生します。標準的な方法：最大定格5～10Vのシリコン・ブリッジには5V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、最低推奨電圧 (多くの場合3V) を使用して、ハネウェル HSC 低電力モード当たり 26 mW 未満に電力を削減してください。

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