Introducción al puente de Wheatstone

El corazón de los sensores de presión de Merit Sensor es un puente de Wheatstone que se compone de un grupo de cuatro resistencias en un diafragma grabado con silicona. A medida que se aplica presión al diafragma, las resistencias se tensan, cambiando su resistencia.

En una configuración ideal, todas las resistencias estarían perfectamente adaptadas y serían completamente independientes de la temperatura.

En el mundo real, sin embargo, existen diferencias entre los valores de resistencia de cada resistencia. Además, la temperatura también cambia los valores de las resistencias. El cambio en los valores de resistencia y la salida general del puente debido a la temperatura se conoce como coeficiente de resistencia de temperatura o TCR.

Muchos aplicaciones requieren que un sensor de presión operar independientemente de la temperatura. En estas aplicaciones, se debe compensar el TCR del sensor de presión.

Hay dos métodos generales para la compensación de TCR: pasivo y activo.

En la compensación pasiva, será necesario medir los valores de las resistencias de puente individuales para determinar los valores necesarios para las resistencias de compensación.

En la compensación activa, un microcontrolador, un acondicionador de señal o un circuito analógico registra la salida del puente en varias condiciones de temperatura y presión y ajusta las salidas del sensor en consecuencia.

Configuraciones de puente

una. Cerrado: un puente en el que todas las resistencias están conectadas (consulte la Figura 1).

Figura 1 – Puente cerrado

En un puente cerrado no hay forma de medir resistencias individuales ya que siempre habrá influencias de las otras tres resistencias del puente.

b. Semiabierto: un puente que está dividido en dos ramas y conectado en un extremo (consulte la figura 2).

Figura 2 – Puente medio abierto

A diferencia del puente cerrado, un puente semiabierto permite tomar medidas para cada resistencia, lo que es un beneficio si es necesario determinar el rendimiento del sensor. Un puente semiabierto también permite agregar una compensación activa o pasiva según sea necesario.

Un puente medio abierto requiere una conexión eléctrica adicional.

C. Totalmente abierto: un puente que se divide en dos ramas, que están abiertas en ambos extremos (consulte la figura 3).

Figura 3 – Puente completamente abierto

Similar al puente medio abierto, el puente completamente abierto permite medir cada resistencia. Además de poder utilizar compensación activa o pasiva, cada mitad del puente se puede alimentar y medir de forma independiente. Esto es beneficioso ya que algunos acondicionadores de señal comúnmente utilizados en aplicaciones de sensores de presión requieren dos ramas independientes.
Sin embargo, la configuración de puente completamente abierto requiere una conexión eléctrica adicional además de la requerida por la configuración semiabierta.

Ejemplos de implementaciones

una. Cerrado: dado que las resistencias individuales no se pueden medir en un puente cerrado, se puede usar un puente cerrado con compensación activa o en una aplicación donde las fluctuaciones de salida del sensor debido a cambios de temperatura son aceptables.

La figura 4 muestra un puente cerrado con compensación activa.

Figura 4: Puente cerrado con dispositivo de interfaz (ASIC de acondicionamiento de señal, microcontrolador, circuitos analógicos, etc.)

Un ejemplo de una aplicación adecuada para un puente cerrado donde la independencia de la temperatura no es crítica es un interruptor de presión, donde las mediciones de presión absoluta no son tan importantes como saber que ha alcanzado un umbral de presión.

b. Semiabierto: la compensación activa se puede aplicar al puente semiabierto como en la Figura 4 que se muestra arriba. La compensación pasiva también se puede aplicar al puente semiabierto, como se ve a continuación en la Figura 5.

Figura 5 – Puente medio abierto con compensación pasiva

La implementación de un puente medio abierto con compensación pasiva en la Figura 5 muestra los componentes adicionales, así como la conexión eléctrica adicional (Vin+) necesaria para cerrar el puente. Las resistencias adicionales, como se denominan, logran compensación de amplitud, cero e impedancia de salida. Estos componentes deben agregarse después de que se hayan tomado medidas de puente abierto en las condiciones requeridas.

C. Totalmente abierto: el puente totalmente abierto tiene una amplia variedad de implementaciones. Además de usarse como un puente completamente abierto, puede usarse como un puente semiabierto (Figura 5) o cerrado (Figura 4). La figura 6 es una ilustración de cómo se podría usar un puente completamente abierto para dos funciones: temperatura y presión.

Figura 6 – Puente completamente abierto con dos funciones

En esta implementación, la mitad del puente se utiliza como sensor de temperatura y la otra como sensor de presión. Solo estará presente la mitad de la señal de salida de presión porque solo existe la oscilación de voltaje de la mitad del puente. Sin embargo, esto permite el beneficio adicional de un medio para medir la temperatura real de la matriz. La medición de temperatura permitirá una entrada más precisa para la compensación de temperatura que una medición de temperatura ambiente.

Elección de la configuración adecuada para su aplicación

Se debe tener en cuenta todo el sistema de detección al tomar decisiones sobre la configuración del puente. Primero, el usuario debe decidir si la independencia de la temperatura es importante y si lo es, si compensación activa o pasiva se utilizará. Si se elige la compensación activa y se utilizará un acondicionador de señal u otro dispositivo electrónico, se deben cumplir los requisitos de ese dispositivo.

Tenga cuidado ya que los dispositivos con funciones similares pueden tener requisitos muy diferentes.

Como se mencionó anteriormente, cada configuración tiene sus propias ventajas y desventajas. Las conexiones eléctricas adicionales de un puente completamente abierto aumentan la complejidad del ensamblaje, pero permiten una mayor flexibilidad, así como la capacidad de solucionar los problemas del puente con mayor facilidad.

En última instancia, la elección de la configuración del puente debe basarse en un análisis exhaustivo del sistema.

 

 

 

 

 

 

 

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