mV/V는 로드셀 감도에 어떤 영향을 미칩니까?

mV/V는 최대 정격 부하에서 자극 볼트당 밀리볼트의 출력을 의미합니다.예를 들어 5V로 증폭된 2mV/V 로드 셀은 풀 스케일 용량에서 10mV를 생성합니다.

ADC의 로드셀 증폭기 게인을 계산하는 방법은 무엇입니까?

목표 ADC 입력 전압을 로드셀의 전체 출력 전압 (G = V_ADC/V_FS) 으로 나눕니다.5V ADC 범위를 대상으로 하는 20mV 풀스케일 신호의 경우 250의 게인이 필요합니다.

로드셀 풀 스케일 출력 전압을 계산하는 방법은 무엇입니까?

자극 전압에 민감도 곱하기 (V/V로 변환): V_FS = V_EX × S. 자극이 10V인 2mV/V 로드 셀은 풀 스케일에서 20mV를 생성합니다.

로드셀이 있는 INA125 용 게인 저항은 무엇입니까?

INA125 게인은 G = 4 + (60kΩ/R_G) 공식을 사용하여 R_G에 의해 설정됩니다.게인이 250인 경우 약 244Ω을 사용하십시오.

Sensors2026년 7월 20일7분 읽기

로드셀 증폭기 게인: 유용한 전압 출력 얻기

ADC 입력에 대한 로드셀 증폭기 게인을 계산합니다.감도, 자극 전압, 전체 출력 및 ADC 범위에 맞는 게인을 다룹니다.

로드셀 신호가 거슬리는 이유

로드셀은 산업용 저울, 힘 측정 장비, 토크 센서, 심지어 해킹하려는 욕실 저울 등 어디에나 있습니다.신뢰할 수 있고 정확하며 잘 이해된 물리학을 기반으로 합니다.하지만 아주 작은 신호를 생성하기 때문에 대부분의 프로젝트가 빗나갑니다.

일반적인 로드셀은 금속 부품에 결합된 스트레인 게이지로 구성된 휘트스톤 브리지입니다.힘을 가하면 소자가 변형되고 저항이 변하며 차동 전압이 방출됩니다.아주 간단하게 들리네요.문제는 감도입니다. 대부분의 로드 셀은 풀 스케일에서 1mV/V ~ 3mV/V 사이입니다.이 “mV/V” 표기법은 사람을 계속 흥분시키므로 분명히 말씀드리자면, 최대 정격 부하에서 구동 볼트당 밀리볼트의 출력을 의미합니다.

따라서 5V의 2mV/V 로드 셀을 작동시켜 최대 정격 부하를 가하면 10mV가 나옵니다.이것이 전체 신호 범위입니다.3.3V 레퍼런스의 12비트 ADC에 10mV를 공급해 보면 4096 중 약 12카운트를 사용할 수 있습니다.별로네요.

시그널 체인 수학

실제로 어떤 일이 벌어지고 있는지 분석해 보겠습니다.로드셀의 전체 출력 전압은 다음과 같습니다.

V_{FS} = V_{EX} \times S

여기서 $V_{EX}$ 은 자극 전압이고$ S$은 mV/V 단위의 감도입니다 (수학을 계산하려면 V/V로 변환해야 하므로 2mV/V는 0.002V/V가 됩니다).

증폭 후:

V_{AMP} = V_{FS} \times G

여기서$G $은 앰프 게인입니다.$ V_{AMP}$이 클리핑 없이 ADC의 풀 스케일 입력에 근접하기를 원합니다.

전체 시스템의 감도 (부하 단위당 볼트) 는 다음과 같습니다.

\text{Sensitivity} = \frac{V_{AMP}}{F_{FS}}

여기서 $F_{FS}$ 은 작업 중인 단위에 대한 전체 하중을 나타냅니다 (kg, lb, N은 일관성을 유지하는 한 중요하지 않습니다).

특정 ADC 입력 범위를 목표로 하는 경우 역방향으로 작업하여 필요한 게인을 찾을 수 있습니다.

G_{required} = \frac{V_{ADC}}{V_{FS}}

실제 사례: 100kg 로드셀

감도가 2mV/V 인 100kg 로드 셀이 있다고 가정해 보겠습니다.10V 자극 (산업용 셀에서 흔히 볼 수 있음) 을 사용하고 있는데 5V 레퍼런스의 마이크로컨트롤러 ADC에 신호를 공급하려고 합니다.부품 보관함에는 INA125 계측 앰프가 있습니다.

먼저, 전체 출력을 찾으십시오.

V_{FS} = 10\text{ V} \times 0.002\text{ V/V} = 0.020\text{ V} = 20\text{ mV}

이것이 100kg의 시그널 스윙의 전부입니다.50kg에서는 10mV를 볼 수 있습니다.1kg에서는 200µV를 볼 수 있습니다.증폭이 필요한 이유가 바로 이것입니다.

5V ADC 범위를 채우려면 다음이 필요합니다.

G_{required} = \frac{5\text{ V}}{0.020\text{ V}} = 250

따라서 250의 게인을 얻으면 전체 부하를 5V로 맞출 수 있습니다. 실제로는 약간 뒤로 물러나 여유 공간을 확보하기 위해 풀 스케일에서 4.5V를 목표로 삼을 수도 있습니다.이는 225의 이득입니다.

이제 INA125 은 $G = 4 + \frac{60\text{k}\\Omega}{R_G}$ 에 따라 단일 저항으로 게인을 설정합니다.G = 250인 경우:

R_G = \frac{60000}{250 - 4} = \frac{60000}{246} \\approx 244\text{ }\\Omega

키트에 들어 있는 제품에 따라 각각 254 또는 245의 게인을 제공하는 240Ω 또는 249Ω 저항을 사용할 수 있습니다.충분히 가까이.

게인이 250이면 시스템 민감도는 다음과 같이 됩니다.

\text{Sensitivity} = \frac{5\text{ V}}{100\text{ kg}} = 50\text{ mV/kg}

또는 12비트 ADC에서 그램당 20카운트도 가능합니다.이는 대부분의 계량 어플리케이션에서 사용 가능한 분해능입니다.

자극 전압 트레이드오프

자극이 높다는 것은 신호가 많다는 뜻인데, 이는 대단한 일입니다.하지만 한계도 있습니다.

대부분의 로드 셀은 최대 자극 전압 (보통 10V 또는 15V) 을 지정합니다. 더 높이 올라가면 스트레인 게이지를 익힐 수 있습니다.브리지의 전력 손실은 $P = V_{EX}^2 / R_{bridge}$ 이며, 10V에서 350Ω 브리지를 사용할 경우 거의 300mW에 달합니다.열은 어딘가로 이동해야 하는데, 이로 인해 로드 셀 본체에 열 기울기가 발생하면 드리프트가 발생합니다.

자극이 낮으면 자체 발열은 줄어들지만 작업에 필요한 신호는 줄어듭니다.배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 3.3V 또는 5V 자극이 일반적이며 더 많은 게인이 필요하다는 사실을 받아들이기만 하면 됩니다.3.3V 구동 시 2mV/V 셀의 전체 전압은 6.6mV에 불과합니다. 5V ADC 범위를 채우려면 약 750의 게인이 필요합니다.

또한 자극 안정성에 대한 의문도 있습니다.로드셀 출력은 구동 전압에 비례합니다.자극이 0.1% 드리프트하면 판독값도 0.1% 편차가 발생합니다.자극에 대한 정밀 레퍼런스를 사용하거나 더 좋은 방법은 동일한 서플라이에 대해 참조하는 레이셔메트릭 ADC를 사용하면 이 오류의 원인을 제거할 수 있습니다.

흔히 저지르는 실수와 문제점

mV/V 유닛 잊어버리기

이걸 계속 보게 돼요.어떤 사람은 데이터시트에서 “2mV/V”라고 쓰고 2를 마치 볼트인 것처럼 게인 계산에 대입합니다.그 결과 게인이 1000배나 줄어든 셈입니다.전압이 예상한 경우 증폭기 출력은 마이크로볼트가 되며, 로드셀이 고장났다고 확신하는 데 한 시간이 걸릴 것입니다.

오프셋 전압 무시

로드 셀에는 일반적으로 풀 스케일의 백분율로 지정되는 무부하 오프셋이 있습니다.10V 구동 시 오프셋이 ± 0.05% 인 셀은 부하를 가하기도 전에 ±5mV의 오프셋이 있을 수 있습니다.게인이 250이 되면 ADC 입력에서의 오프셋은 ±1.25V입니다.ADC가 음의 전압을 처리할 수 없다면 (대부분의 단일 전원 MCU ADC는 처리할 수 없음) 문제가 있는 것입니다.

해결책은 AC 커플링 (계량에는 거의 적합하지 않음), 레벨 시프팅 또는 가장 일반적으로 오프셋을 수용하고 소프트웨어로 교정하는 것입니다.하지만 전체 오프셋 범위와 신호 범위에서 앰프 출력이 ADC의 입력 범위 내에 있어야 합니다.

노이즈를 고려하지 않은 게인 선택

게인이 높을수록 노이즈를 포함한 모든 것이 증폭됩니다.로드셀과 배선에서 50µV의 간섭을 받으면 500µV의 게인은 ADC의 25mV의 노이즈로 바뀝니다.12비트 컨버터의 경우 LSB가 몇 개일 수 있습니다.

계측 앰프의 입력 참조 노이즈도 중요합니다.입력 노이즈가 50nV/√Hz 인 저렴한 앰프는 10kHz 대역폭에서 약 5µV RMS에 기여합니다. 나쁘지는 않지만 합산하면 더 커집니다.INA125 또는 AD620 같은 우수한 로드셀 앰프는 이 용도에 맞게 설계되었으며 노이즈가 더 낮습니다.

ADC 전 필터링 안 함

로드셀 신호가 느립니다.킬로헤르츠 속도에서도 무게는 변하지 않습니다 (무언가 크게 잘못되지 않는 한).ADC 이전의 간단한 RC 저역통과 필터 (1.6kHz 컷오프의 경우 1kΩ 및 100nF에 불과하더라도) 는 고주파수 노이즈를 없애고 앨리어싱을 방지합니다.“소프트웨어로 필터링하겠습니다”라는 이유로 이 단계를 건너뛰면 시간이 오래 걸리고 다이나믹 레인지가 소모됩니다.

잘못된 앰프 토폴로지 사용

로드 셀은 차동 신호를 출력합니다.싱글 엔드 연산 증폭기 구성을 사용하면 노이즈 환경에서도 로드 셀이 잘 작동하도록 하는 공통 모드 거부 현상이 사라집니다.항상 계측 증폭기 또는 적절한 디퍼런셜-투-싱글 엔드 프런트 엔드를 사용하십시오.

앰프 오버드라이빙

100kg 체중계 위에 누군가가 서 있으면 잠깐 150kg이 보일 수 있습니다.게인을 5V에서 100kg으로 설정하면 과부하로 인해 앰프가 7.5V로 구동됩니다. 단, 앰프가 해당 위치로 갈 수 없어서 클립됩니다.일부 앰프는 클리핑에서 정상적으로 복구되고, 어떤 앰프는 다시 돌아오는 데 밀리초 정도 걸리는데, 그 동안 판독값은 낭비됩니다.과부하 케이스에 맞게 설계하거나 보호 회로를 추가하세요.

실용적인 게인 선택

ADC 범위를 정확히 100% 목표로 삼지 마세요.80~ 90% 를 목표로 하여 오프셋, 과부하 및 부품 허용 오차를 위한 여유 공간을 확보하세요.계산에 250의 게인이 필요하다고 나오면 대신 200을 사용하는 것이 좋습니다.

또한 전압 범위를 약화시키는 아날로그 필터링 또는 레벨 시프팅을 수행할 것인지도 고려하세요.신호를 양수로 유지하기 위해 0.5V 오프셋을 추가하는 경우 이제 사용 가능한 범위는 0~5V가 아니라 0.5V ~ 5V입니다.

그리고 선택한 앰프가 실제로 어떤 게인 값을 낼 수 있는지 확인해 보세요.INA125 게인 방정식은 특정 게인이 다른 게인보다 더 쉽게 도달할 수 있다는 것을 의미합니다.200에는 표준 저항 값이 필요하고 225에는 이상한 값이 필요하다는 것을 알 수 있습니다.

사용해 보세요

수학은 어렵지 않지만 단위 오류를 범하거나 어디선가 1000인자를 잊어버리기는 쉽습니다.로드셀 증폭기 게인 계산기 를 열어 수치를 빠르게 확인할 수 있습니다.구동 전압, 로드셀 감도, 전체 부하 및 제안된 게인을 연결하면 전체 출력, 증폭 전압, 시스템 감도 및 5V ADC 범위에 도달하는 데 필요한 게인을 즉시 확인할 수 있습니다.온전한 상태를 확인하는 데 10초면 충분하며 오후의 디버깅 시간을 절약할 수 있습니다.