Saída da Ponte do Sensor de Pressão

Calcula a tensão de saída da ponte Wheatstone para sensores de pressão piezoresistivos a partir de excitação, sensibilidade e pressão aplicada.

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Fórmula

V_out = V_ex × S × (P/P_FS)

S — Sensitivity (mV/V)

P_FS — Full-scale pressure (kPa)

Como Funciona

Os sensores de pressão piezorresistivos contêm uma ponte Wheatstone de resistores difusos ou sensíveis à deformação de película fina em um diafragma metálico ou de silicone. A pressão aplicada desvia o diafragma, causando mudanças de resistência que desequilibram a ponte. A tensão de saída da ponte é V_out = V_ex × S × (P/P_FS), onde V_ex é a tensão de excitação, S é a sensibilidade da ponte em mV/v, P é a pressão aplicada e P_FS é a pressão nominal em escala real. A saída em grande escala é V_FS = V_ex × S, normalmente 10—100 mV para uma excitação de 5—10 V. Como V_out é um sinal diferencial de milivolts sobre uma tensão de modo comum de V_ex/2, um amplificador de instrumentação é necessário para amplificar o sinal diferencial enquanto rejeita o grande componente de modo comum. A temperatura afeta tanto o deslocamento zero (mudanças de saída de pressão zero) quanto a amplitude (mudanças de sensibilidade), normalmente exigindo compensação analógica ou digital usando um sensor de temperatura montado próximo ao sensor de pressão.

Exemplo Resolvido

Problema: Um sensor de pressão diferencial tem sensibilidade de 20 mV/V e escala total de 100 kPa. A excitação é de 5 V. Qual é a saída a 35 kPa e qual ganho de amplificador é necessário para um ADC de 3,3 V?

Solução:

1. Saída em grande escala: V_FS = 5 V × 20 mV/V = 100 mV

2. Saída a 35 kPa: V_out = 100 mV × (35/100) = 35 mV

3. Ganho de amplificador necessário: G = 3300 mV/100 mV = 33 V/V

4. Saída a 35 kPa após a amplificação: 35 mV × 33 = 1,155 V

5. Deflexão fracionária: 35/100 = 35%

Resultado: o Bridge emite 35 mV a 35 kPa; um ganho de 33 mapeia o FS de 100 mV para 3,3 V ADC em escala completa.

Dicas Práticas

✓Use operação raciométrica — conecte a referência do ADC e a excitação do sensor de pressão à mesma tensão regulada. Se a oferta flutuar, escale proporcionalmente e a proporção V_out/V_ex permanecerá constante.
✓Para obter precisão absoluta, faça uma calibração de dois pontos (pressão zero e pressão de referência conhecida) para corrigir os erros de compensação e ganho.
✓Adicione um capacitor de cerâmica de 100 nF de cada linha de excitação ao solo, próximo ao sensor, para filtrar o ruído de alta frequência que, de outra forma, apareceria como ruído de medição de pressão.

Erros Comuns

✗Aplicação de tensão de excitação que exceda o máximo do sensor — a sobretensão causa o autoaquecimento dos resistores da ponte, alterando o zero e a amplitude; sempre verifique a excitação nominal máxima (normalmente de 5 a 12 V).
✗Usando o sensor de cabeça para baixo em relação à sua orientação nominal — muitos sensores incluem o peso do diafragma na calibração zero; mudanças de orientação causam um deslocamento zero igual à pressão de peso morto do diafragma.
✗Negligenciando a tensão de modo comum na entrada do amplificador de instrumentação — a saída da ponte funciona no modo comum V_ex/2; escolha um INA com uma faixa de entrada de modo comum que inclua V_ex/2 em sua fonte.

Perguntas Frequentes

Qual é a diferença entre sensores de pressão manométrica, absoluta e diferencial?

Os sensores de pressão manométrica medem a pressão em relação à pressão atmosférica (a saída é zero na atmosférica). Os sensores absolutos medem em relação ao vácuo (pressão absoluta zero). Os sensores diferenciais medem a diferença de pressão entre duas portas. Para HVAC e fluxo de fluido, os tipos diferencial e medidor são mais comuns; para altímetros e barômetros, sensores de pressão absoluta são usados.

O que é compensação térmica zero e como ela é compensada?

O desvio térmico zero é a mudança na saída da ponte com pressão zero causada pelo desequilíbrio da resistência induzido pela temperatura. Ela é especificada em μV/V/°C ou% FS/°C. A compensação normalmente usa um sensor de temperatura mais uma tabela de pesquisa ou correção polinomial no firmware, ou um sensor de pressão digital integrado (por exemplo, BMP390) que realiza a compensação interna da temperatura.

Como seleciono a tensão de excitação da ponte?

Uma excitação mais alta fornece maior tensão de saída (melhor SNR), mas aumenta o autoaquecimento. A prática típica é usar excitação de 5 V DC para sensores de ponte de silício avaliados em 5—10 V. Para aplicações alimentadas por bateria, use excitação AC na voltagem mínima recomendada para reduzir o consumo de energia — mas verifique se o sensor está classificado para excitação AC.

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