Ganho do Amplificador de Célula de Carga

Calcula a tensão de saída da célula de carga, ganho de amplificador necessário e sensibilidade para células de carga em ponte Wheatstone.

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Fórmula

V_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G

S — Sensitivity (mV/V)

V_ex — Excitation voltage (V)

G — Amplifier gain (V/V)

Como Funciona

Uma célula de carga é um transdutor de força que converte a carga mecânica em um sinal elétrico usando uma ponte Wheatstone de medidores de tensão ligados a um elemento estrutural. A saída da ponte é normalmente especificada como sensibilidade em mV/V: a tensão de saída em milivolts por volt de excitação em carga em grande escala. Uma célula de carga de 2 mV/V em excitação de 5 V produz 10 mV em escala total. Como esse sinal de nível de milivolts deve acionar um ADC (geralmente em escala completa de 5 V ou 3,3 V), é necessário um amplificador de instrumentação de precisão. O ganho necessário é G = V_ADC_FS/V_FS, onde V_ADC_FS é a tensão em escala real do ADC e V_FS é a saída em escala real da célula de carga em volts. Os ICs comuns incluem o INA125 (referência de tensão embutida), o INA128 e amplificadores de célula de carga dedicados, como o HX711 (24 bits, inclui ADC). A dissipação de energia na ponte da célula de carga é P = V_ex²/ (4R_bridge).

Exemplo Resolvido

Problema: Uma célula de carga de 50 kg tem sensibilidade de 2 mV/V em excitação de 5 V, alimentando um ADC de 12 bits com referência de 3,3 V. Qual ganho de amplificador é necessário e qual é a resolução em gramas?

Solução:

1. Saída em grande escala: V_FS = 2 mV/V × 5 V = 10 mV

2. Ganho necessário: G = 3300 mV/10 mV = 330 V/V

3. Etapa ADC: LSB = 3,3 V/ 4096 = 0,806 mV

4. Etapa de saída por LSB: 0,806 mV/330 = 2,44 μV

5. Carga por LSB: (2,44 μV/10 mV) × 50 kg = 12,2 g/LSB

Resultado: Use um ganho de 330 (por exemplo, INA128 com R_G = 604/329 × 100 Ω ≈ 150 Ω); a resolução é de cerca de 12 g por etapa do ADC.

Dicas Práticas

✓Para sistemas embarcados, o módulo amplificador ADC+ de 24 bits HX711 fornece uma solução completa a um custo muito baixo, com um ganho programável integrado de 64 ou 128.
✓Proteja a fiação de sinal de baixo nível entre a célula de carga e o amplificador para reduzir a captação de 50/60 Hz; torça os pares de fios de excitação e sinal separadamente.
✓Zere a saída da ponte no firmware após a montagem — a pré-carga mecânica devido ao hardware de montagem muda o ponto zero, exigindo uma correção de tara.

Erros Comuns

✗Esquecendo de reduzir o ganho do produto de ganho de largura de banda do amplificador — um ganho de 500 com um amplificador operacional GBW de 1 MHz deixa apenas 2 kHz de largura de banda, o que pode causar problemas de sedimentação.
✗Omitindo o sensor de excitação de 4 fios (Kelvin) — a resistência do cabo no fio de excitação causa um erro de ganho proporcional ao cabo I × R; o sensoriamento remoto de 6 fios elimina isso.
✗Usando um amplificador operacional de alimentação única sem uma referência de fonte média — a saída da ponte oscila simetricamente em torno de zero, e um amplificador operacional de trilho a trilho referenciado a V_cc/2 é necessário para evitar o corte de saídas negativas.

Perguntas Frequentes

O que significa sensibilidade mV/V?

mV/V (milivolts por volt) significa que a célula de carga produz um número especificado de milivolts para cada volt de excitação da ponte quando a carga em grande escala é aplicada. Uma célula de carga de 2 mV/V em excitação de 10 V produz 20 mV em escala total. Essa especificação normalizada torna a saída independente da tensão de excitação.

Como escolho entre um ADC de 12 e 24 bits para aplicações de células de carga?

Um ADC de 12 bits fornece 4096 etapas; acima de uma faixa de 50 kg com resolução de cerca de 12 g. Um ADC de 24 bits fornece 16 milhões de etapas, teoricamente com resolução abaixo de miligramas, mas ruído, vibração mecânica e desvio térmico normalmente limitam a resolução prática a 14—16 bits. Para balanças que exigem uma resolução melhor do que 1 em 1000, use ADCs de 24 bits com uma média adequada.

Posso usar um amplificador operacional padrão em vez de um amplificador de instrumentação?

Não é para células de carga. Uma ponte de Wheatstone tem uma saída diferencial flutuante; um amplificador operacional padrão em configuração diferencial requer resistores precisamente combinados para obter uma alta rejeição no modo comum. Os amplificadores de instrumentação (InAs) têm correspondência interna de precisão (CMRR > 90 dB) e precisam apenas de um único resistor de ganho externo.

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