압력 센서의 휘트스톤 브리지 출력 계산: 실용 가이드

압력 감지에서 브리지 출력이 중요한 이유

압전저항식 압력 센서를 연결하고 밀리볼트 수준의 신호를 응시하면서 측정값이 정확한지 궁금해한 적이 있다면, 여러분은 혼자가 아닙니다.대부분의 MEMS 및 본드 포일 압력 센서는 내부적으로 휘트스톤 브리지를 사용하며, 브리지 감도와 적용된 압력과 전체 압력의 비율을 기준으로 출력되는 여분 전압의 아주 작은 부분만 볼 수 있습니다.

브리지 출력에서 예상되는 전압을 정확히 이해하는 것은 올바른 계측 증폭기 게인 설계, ADC 입력 범위 설정, 노이즈 마진 예산 책정, 단순한 벤치 측정 상태 점검 등 여러 가지 이유로 매우 중요합니다.rftools.io의 [압력 센서 브리지 출력 열기] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) 계산기를 사용하면 빠르고 오류 없이 이 작업을 수행할 수 있습니다.

기본 수학

압력 센서 브리지는 적용된 압력에 비례하는 출력 전압을 생성합니다.관계는 간단합니다.

“매스블록_0"

장소:

• “MATHINLINE_6"은 브리지 구동 전압 (V) 입니다.
• “MATHINLINE_7"은 일반적으로 풀 스케일 압력에서 mV/V 단위로 지정되는 브리지 감도입니다.
• “마틴라인_8"은 적용된 (측정된) 압력입니다.
• “MATHINLINE_9"는 센서의 전체 압력 등급입니다.

부분 편향은 단순히 적용된 압력과 전체 압력의 비율입니다.

“매스블록_1”

그리고 센서에서 볼 수 있는 최대 브리지 출력인 풀 스케일 출력 (FSO) 은 다음과 같습니다.

“매스블록_2"

참고로, 감도 “MATHINLINE_10"은 일반적으로 mV/v로 표시됩니다. 2mV/V 등급의 센서는 구동 전압 1볼트당 브리지가 최대 압력에서 2mV의 출력을 생성한다는 것을 의미합니다.이는 무차원 비율 (볼트당 밀리볼트) 이므로 단위를 사용할 때는 주의해야 합니다.

실제 사례: 산업용 압력 트랜스미터

현실적인 시나리오를 살펴보겠습니다.실리콘 피에조 저항식 압력 센서를 유압 모니터링 시스템에 통합하고 있습니다.

제공:

• 브리지 엑시테이션 전압: “MATHINLINE_11"
• 브리지 감도: “MATHINLINE_12" (데이터시트에서 발췌)
• 풀 스케일 압력: “MATHINLINE_13"
• 적용 압력: “마틴라인_14"

1단계 — 전체 출력:

“매스블록_3"

따라서 500psi에서 브리지는 15mV를 생성합니다.

2단계 — 부분 편향:

“매스블록_4”

센서가 전체 범위의 35% 에서 작동하고 있습니다.

3단계 — 175psi에서의 브리지 출력:

“매스블록_5”

브리지 출력 단자 건너편에서 볼 수 있는 것은 5.25mV입니다.계측 증폭기의 게인이 200이면 증폭된 신호는 3.3V 또는 5V ADC에 적합한 수준인 “MATHINLINE_15"입니다.

실제 설계 고려 사항

올바른 자극 전압 선택

자극이 높을수록 출력 신호가 커지고 신호 대 잡음비가 좋아집니다.그러나 센서 데이터시트에는 최대 자극 전압이 명시되어 있습니다. 산업용 센서의 경우 10V 또는 12V인 경우가 많으며 저전력 MEMS 장치의 경우 1.5V에 불과한 경우도 있습니다.이 값을 초과하면 자체 발열이 발생하여 열 드리프트가 발생하고 감지 소자가 영구적으로 손상될 수 있습니다.경험상 전력 소비가 제한되지 않는 한 센서가 허용하는 최대 자극력을 사용하는 것이 좋습니다.

감도 변화

데이터시트 민감도 값은 공칭입니다.실제 센서의 허용 오차는 교정된 단위의 경우 ±0.5mV/V 이상인 경우가 많습니다.3.0mV/V ±0.25mV/V 정격의 센서를 예로 들면 전체 출력 범위는 13.75mV에서 16.25mV까지 다양합니다.신호 컨디셔닝 체인은 이 범위를 수용할 수 있어야 합니다.대부분의 설계에는 출력을 정규화하기 위한 교정 중 소프트웨어 또는 하드웨어 게인 트림 단계가 포함됩니다.

오프셋 전압

실제 브리지는 완벽하게 균형을 이룰 수 없습니다.일반적인 오프셋 사양은 5V 구동 시 ±1mV일 수 있습니다.관심 신호가 5.25mV에 불과한 경우, 1mV의 오프셋은 보정하지 않고 그대로 두면 19% 의 오류가 발생합니다.출력을 압력으로 해석하기 전에 항상 브리지 오프셋을 측정하고 빼십시오 (또는 자동 영점 조정).

풀 스케일 이하에서 작동

전체 압력이 최대 예상 압력과 정확히 일치하는 센서를 선택하는 것이 좋습니다.실제로 풀 스케일의 50~ 80% 로 작동하면 압력 급증에 대비할 수 있고 센서 전달 함수의 가장 선형적인 영역에 머무를 수 있습니다.이 예제는 풀 스케일의 35% 에서 작동하는데, 보수적이지만 175psi가 정상 동작점이고 과도 현상이 400psi에 도달할 수 있는 시스템에서는 전혀 문제가 없습니다.

이 계산기를 사용하는 경우

이 도구는 다음과 같은 작업이 필요할 때 언제든지 유용합니다.

• 회로 설계 시 주어진 작동 압력에 대한 브리지 출력 예측
• 벤치 측정 확인 — 스코프 또는 DMM 판독값이 계산된 값과 일치하지 않는 경우 배선 문제, 센서 손상 또는 자극 문제가 있을 수 있습니다.
• 증폭기 게인 크기 조정 — 예상 출력 범위를 알면 증폭된 신호가 클리핑 없이 ADC 입력 범위를 채우도록 게인을 설정할 수 있습니다.
• 센서 비교 — 다양한 공급업체의 사양을 확인하고 어떤 제품이 자신의 자극 예산에 가장 적합한 출력 레벨을 제공하는지 확인하세요.

사용해 보세요

자체 센서 사양을 [압력 센서 브리지 출력 열기] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) 계산기에 연결하면 브리지 출력, 전체 출력 및 부분 편향에 대한 즉각적인 결과를 얻을 수 있습니다.벤치에 전원을 공급하기 전에 설계 가정을 빠르게 검증하거나 정확하지 않은 판독값을 다시 확인할 수 있는 방법입니다.