압력 센서용 휘트스톤 브리지 출력

압력 감지에서 브리지 출력이 중요한 이유

압전저항식 압력 센서를 연결하고 밀리볼트 수준의 신호를 응시하면서 측정값이 정확한지 궁금해한 적이 있다면, 여러분은 혼자가 아닙니다.대부분의 엔지니어들이 경험해 봤어요.MEMS와 본드 포일 압력 센서는 내부적으로 휘트스톤 브리지를 사용하며, 출력은 브리지 감도와 전체 압력에 대한 적용 압력의 비율에 따라 조정된 구동 전압의 극히 일부에 불과합니다.

여기서 중요한 것은 브리지 출력에서 예상되는 전압을 정확히 이해하는 것은 단지 학문적인 것만은 아니라는 것입니다.올바른 계측 증폭기 게인을 설계하고, ADC 입력 범위를 설정하고, 노이즈 마진 예산을 책정하고, 벤치 측정값을 간단히 온전하게 점검하는 데 매우 중요합니다.누군가 예상 출력을 먼저 계산했다면 피할 수 있었던 디버그 세션을 너무 많이 본 적이 있습니다.rftools.io의 압력 센서 브리지 출력 열기 계산기를 사용하면 빠르고 오류 없이 이 작업을 수행할 수 있습니다.

한 자리 밀리볼트 범위의 신호를 다룰 때는 모든 세부 사항이 중요합니다.5mV 신호가 1mV 오프셋 위에 있고 잡음이 0.5mV인 경우에도 오류가 발생할 여지가 많지 않습니다.오실로스코프로 프로빙을 시작하기 전에 무엇을 찾고 있는지 알아야 합니다.

기본 수학

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

장소:

-$V_{ex}$은 브리지 구동 전압 (V) 입니다. -$S$은 브리지 감도이며, 일반적으로 전체 압력에서 mV/V 단위로 지정됩니다. -$P$은 적용된 (측정된) 압력입니다. -$P_{FS}$은 센서의 전체 압력 등급입니다.

부분 편향은 단순히 적용된 압력과 전체 압력의 비율입니다.그리고 센서에서 볼 수 있는 최대 브리지 출력인 풀 스케일 출력 (FSO) 은 다음과 같습니다.참고로, 감도$S$은 보통 mV/V로 표시됩니다. 2mV/V 등급의 센서는 구동 볼트당 브리지가 최대 압력에서 2mV의 출력을 생성한다는 것을 의미합니다.이는 무차원 비율 (볼트당 밀리볼트) 이므로 단위를 사용할 때는 주의해야 합니다.필자는 누군가 mV/V에 실제 전압 단위가 있는 것처럼 취급하고 결국 게인 계산이 1000배 차이가 나는 설계를 하나 이상 디버깅한 적이 있습니다.

이 공식의 장점은 선형성에 있습니다.압력은 2배, 출력은 2배.자극 전압의 절반, 출력의 절반.계산은 간단하지만 실제 센서는 작동 범위의 극한에서 이러한 이상적인 동작에서 벗어난다는 점을 기억하세요.

실제 사례: 산업용 압력 트랜스미터

현실적인 시나리오를 살펴보겠습니다.실리콘 피에조 저항식 압력 센서를 유압 모니터링 시스템에 통합하고 있습니다.제조 공장의 라인 압력을 측정하거나 공압 제어 시스템을 모니터링할 수 있습니다.

제공:

• 브리지 자극 전압:$V_{ex} = 5.0\,\text{V}$- 브리지 감도:$S = 3.0\,\text{mV/V}$(데이터시트에서 참조)
• 전체 압력:$P_{FS} = 500\,\text{psi}$- 적용 압력:$P = 175\,\text{psi}$1단계 — 전체 출력:
  $$V_{FSO} = 5.0 \times 3.0\,\text{mV/V} = 15.0\,\text{mV}$$
  따라서 500psi에서 브리지는 15mV를 생성합니다.이것이 이 센서 구성의 이론상 최대 출력입니다.측정값이 이보다 높으면 문제가 있다는 뜻입니다. 자극 전압이 너무 높게 설정되었거나 브리지에 결함이 있을 수 있습니다.

2단계 — 부분 편향: 센서가 전체 범위의 35% 에서 작동하고 있습니다.이 지점은 실제로 작동하기에 매우 편합니다.압력 급증에 대비한 헤드룸이 충분하고 소음 하한선을 훨씬 상회할 수 있죠. 3단계 — 175psi에서의 브리지 출력: 5.25mV는 브리지 출력 단자 전체에서 볼 수 있는 값입니다.계측 증폭기의 게인이 200이면 증폭된 신호는$5.25\,\text{mV} \times 200 = 1.05\,\text{V}$신호로 3.3V 또는 5V ADC에 적합한 수준입니다.3.3V ADC 범위의 약 30% 를 사용하고 있는데, 이는 합리적인 수치이지만 더 나은 해상도를 원할 경우 게인을 늘릴 수 있습니다.

이 예시는 증폭이 필요한 이유도 보여줍니다.3.3V 레퍼런스가 있는 12비트 ADC에 5.25mV 신호를 직접 공급해도 약 6카운트만 기록할 수 있습니다.정말 끔찍한 해상도입니다.200의 게인이 되면 대략 1200 카운트를 사용하게 되어 훨씬 더 효과적인 해상도를 얻을 수 있습니다.

실제 설계 고려 사항

올바른 자극 전압 선택

자극이 높을수록 출력 신호가 커지고 신호 대 잡음비가 좋아집니다.이것이 간단한 물리학입니다.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.

자가 발열은 실재하며 교활합니다.브리지에 있는 저항기가 전력을 소산시키고 그 전력이 열로 바뀝니다.10V에서 작동하는 350Ω 브리지 소자는 약 285mW를 소산하는데, 이 소자가 작은 실리콘 다이에 집중되어 있다는 것을 깨닫기 전까지는 별로 들리지 않습니다.이러한 열로 인해 저항값이 변하는데, 이는 측정 시스템의 압력 변화처럼 보입니다.

경험상 전력 소비가 제한되지 않는 한 센서가 허용하는 최대 자극량을 사용하는 것이 좋습니다.배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 3.3V 또는 그 이하로 떨어질 수 있습니다.라인으로 구동되는 산업용 기어의 경우 정격 최대값까지 올리십시오.

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.생산 테스트 중에 실제 감도를 측정하고 EEPROM 또는 플래시에 보정 계수를 저장한 다음 펌웨어에 적용합니다.이는 정밀 기기의 표준 관행이지만 비용과 복잡성이 증가합니다.덜 까다로운 응용 분야의 경우 전체 허용 오차 범위를 처리하고 감소된 정확도를 수용하도록 ADC와 증폭기를 사양하는 방법도 있습니다.

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.어마어마한 수치죠.출력을 압력으로 해석하기 전에 항상 브리지 오프셋을 측정하여 빼거나 자동으로 빼십시오.

일부 계측 증폭기에는 오프셋 널링 기능이 내장되어 있습니다.보정 전류를 주입하기 위해 외부 트림 포트나 DAC가 필요한 경우도 있습니다.가장 간단한 방법은 교정 중에 영압 출력을 측정하고 이를 소프트웨어에서 빼는 것입니다.시스템이 전체 오프셋 범위를 처리할 수 있는지 확인하기만 하면 됩니다. 오프셋으로 인해 앰프가 범위 밖으로 밀려난다면 문제가 생깁니다.

온도는 상황을 더욱 악화시킵니다.브리지 오프셋은 온도에 따라 변하는데, 보통 섭씨 1도당 몇 마이크로볼트 정도입니다.실험실 작업의 경우 이는 중요하지 않을 수 있습니다.근무 시간 동안 주변 온도가 40°C 변동하는 공장 바닥에 있는 물체의 경우 오프셋을 온도를 보정하거나 오프셋을 상쇄하는 비율 측정 기법을 사용해야 합니다.

풀 스케일 이하에서 작동

전체 압력이 최대 예상 압력과 정확히 일치하는 센서를 선택하는 것이 좋습니다.효율적인 것 같죠?실제로 풀 스케일의 50~ 80% 에서 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.

제가 아는 산업 시스템을 연구해 본 대부분의 엔지니어들은 누군가 센서를 가장자리에 너무 가깝게 검사해서 센서가 파손되는 '불가능한' 압력 급상승에 대한 이야기를 하곤 합니다.유압 시스템은 이런 것으로 악명이 높습니다. 밸브를 닫으면 몇 밀리초 동안 정상 상태 압력의 두 배에 달하는 과도 압력이 발생할 수 있습니다.여유가 있고 필요하지 않은 것이 더 좋습니다.

이 계산기를 사용하는 경우

이 도구는 다음과 같은 작업이 필요할 때 언제든지 유용합니다.

회로 설계 시 주어진 작동 압력에 대한 브릿지 출력을 예측**하세요.데이터시트를 들고 앉아 신호 체인을 스케치하고 있으니 어떤 전압을 다루고 있는지 알아야 합니다.숫자를 입력하고 답을 찾고 다음 단계로 넘어가세요.

벤치 측정 확인 — 스코프 또는 DMM 판독값이 계산된 값과 일치하지 않으면 배선 문제, 센서 손상 또는 자극 문제가 있을 수 있습니다.압력 측정이 제대로 되지 않을 때 가장 먼저 확인하는 사항 중 하나입니다.무엇이 필요한지 계산하고, 어떤 값인지 측정하고, 비교해보세요.센서 허용 오차보다 많이 떨어지면 디버깅을 시작하세요. 앰프 게인 크기 조정 — 예상 출력 범위를 알면 증폭된 신호가 클리핑 없이 ADC 입력 범위를 채우도록 게인을 설정할 수 있습니다.게인이 너무 적으면 ADC 비트가 낭비됩니다.게인이 너무 많으면 올바른 압력 측정값이 고정됩니다.처음부터 제대로 해내세요. 센서 비교 — 다양한 공급업체의 사양을 확인하고 어떤 제품이 귀사의 자극 예산에 가장 적합한 출력 수준을 제공하는지 확인해 보세요.때로는 민감도는 낮지만 최대 자극이 높은 센서가 민감도는 높지만 자극 제한이 엄격한 센서보다 신호가 더 좋은 경우가 있습니다.

사용해 보세요

자체 센서 사양을 압력 센서 브리지 출력 열기 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.제가 이 계산기를 즐겨찾기에 추가해 두는 이유는 손으로 계산하는 것보다 더 빠르고, mV/V 사양을 사용할 때 항상 발생하는 단위 변환 오류를 없애주기 때문입니다.