Comment amplifier la sortie d'une jauge de contrainte ?

Les jauges de contrainte sont des capteurs essentiels utilisés dans un large éventail d'industries, de l'aérospatiale et de l'automobile au génie civil et aux essais de matériaux. Ces appareils mesurent les contraintes mécaniques en détectant les changements de résistance électrique, fournissant ainsi des données précieuses pour les systèmes de surveillance et de contrôle. Cependant, le signal de sortie d'une jauge de contrainte est souvent très faible et nécessite une amplification pour être utile dans des applications pratiques. Dans cet article de blog, je partagerai quelques méthodes efficaces pour amplifier le rendement d'une jauge de contrainte, en m'appuyant sur mon expérience en tant que fournisseur de jauges de contrainte.

Comprendre les bases de la sortie des jauges de contrainte

Avant de se plonger dans les techniques d'amplification, il est crucial de comprendre la nature de la sortie des jauges de contrainte. Une jauge de contrainte a généralement une résistance qui change proportionnellement à la contrainte appliquée. Le changement de résistance est généralement très faible, souvent de l’ordre de quelques ohms ou moins. Ce petit changement de résistance se traduit par un petit changement correspondant de tension aux bornes de la jauge de contrainte lorsqu'elle fait partie d'un circuit.

La tension de sortie d'une jauge de contrainte peut être calculée à l'aide de la formule suivante :
[ \Delta V = \frac{V_{exc} \cdot G \cdot \epsilon}{4} ]
Où:

• (\Delta V) est le changement de tension de sortie
• (V_{exc}) est la tension d'excitation appliquée au pont de jauges de contrainte
• (G) est le facteur de jauge de la jauge de contrainte
• (\epsilon) est la déformation appliquée

Comme vous pouvez le voir sur la formule, la tension de sortie est directement proportionnelle à la tension d'excitation, au facteur de jauge et à la contrainte appliquée. Cependant, même avec une tension d'excitation relativement élevée et un facteur de jauge important, la tension de sortie peut encore être assez faible, en particulier pour les petites déformations.

Configurations de pont pour l'amplification

L'un des moyens les plus courants d'augmenter le rendement d'une jauge de contrainte consiste à utiliser une configuration en pont. Le pont de Wheatstone est le circuit en pont le plus largement utilisé pour les applications de jauges de contrainte. Il se compose de quatre éléments résistifs, la jauge de contrainte étant un ou plusieurs de ces éléments.

Configuration quart de pont

Dans une configuration en quart de pont, une seule des quatre résistances du pont de Wheatstone est une jauge de contrainte. Les trois autres résistances sont des résistances fixes. Cette configuration est simple et économique mais offre le rendement le plus faible par rapport aux autres configurations de pont.

Configuration demi-pont

Une configuration en demi-pont utilise deux jauges de contrainte. Cela peut être organisé de différentes manières, en fonction de l'application. Par exemple, une jauge de contrainte peut être utilisée pour mesurer la déformation, tandis que l'autre peut être utilisée comme jauge de compensation de température. La configuration en demi-pont offre une sortie plus élevée que la configuration en quart de pont.

Jauge de contrainte à pont complet

La configuration en pont complet utilise quatre jauges de contrainte. Cette configuration fournit le rendement le plus élevé et est la plus sensible à la contrainte. Il offre également la meilleure compensation de température. Dans une configuration en pont complet, les quatre résistances du pont de Wheatstone sont des jauges de contrainte. Cela permet une utilisation maximale des changements de résistance induits par la contrainte et se traduit par une tension de sortie nettement plus élevée par rapport aux configurations quart et demi-pont.

Amplificateurs de conditionnement de signaux

Une fois la jauge de contrainte configurée dans un circuit en pont, l'étape suivante consiste à amplifier le signal de sortie. Les amplificateurs de conditionnement de signaux sont spécialement conçus pour amplifier les petits signaux de sortie des jauges de contrainte et autres capteurs. Ces amplificateurs ont généralement une impédance d'entrée élevée pour minimiser l'effet de charge sur le pont de jauge de contrainte et un faible bruit pour garantir une amplification précise du signal.

Amplificateurs d'instrumentation

Les amplificateurs d'instrumentation sont un choix populaire pour amplifier les signaux des jauges de contrainte. Ils sont conçus pour fournir un gain élevé, un taux de réjection en mode commun (CMRR) élevé et une faible tension de décalage. Le CMRR élevé est particulièrement important dans les applications de jauges de contrainte car il permet de rejeter tout bruit de mode commun pouvant être présent dans le signal d'entrée.

Amplificateurs opérationnels

Des amplificateurs opérationnels (amplis opérationnels) peuvent également être utilisés pour amplifier les signaux des jauges de contrainte. Bien que les amplificateurs opérationnels soient des amplificateurs à usage plus général, ils peuvent être configurés de différentes manières pour obtenir l'amplification souhaitée. Cependant, par rapport aux amplificateurs d'instrumentation, les amplificateurs opérationnels peuvent avoir un CMRR inférieur et une tension de décalage plus élevée, ce qui peut affecter la précision du signal amplifié.

Optimisation de la tension d'excitation

La tension d'excitation appliquée au pont de jauges de contrainte joue également un rôle crucial dans la détermination de la tension de sortie. L'augmentation de la tension d'excitation peut augmenter directement la tension de sortie de la jauge de contrainte, selon la formule mentionnée précédemment. Cependant, l’augmentation de la tension d’excitation présente certaines limites.

Dissipation de puissance

L’une des principales limites est la dissipation de puissance. À mesure que la tension d’excitation augmente, la puissance dissipée par la jauge de contrainte augmente également. Cela peut entraîner une surchauffe de la jauge de contrainte, ce qui peut affecter sa précision et sa fiabilité. Par conséquent, il est important de choisir une tension d’excitation qui correspond à la puissance nominale de la jauge de contrainte.

Bruit et interférence

Une autre considération est le bruit et les interférences. Une tension d'excitation plus élevée peut également augmenter la sensibilité de la jauge de contrainte au bruit et aux interférences électriques. Cela peut entraîner une dégradation du rapport signal/bruit (SNR), ce qui peut affecter la précision de la mesure. Par conséquent, il est important d’équilibrer la nécessité d’une tension d’excitation élevée avec la nécessité de minimiser le bruit et les interférences.

Compensation de température

Les changements de température peuvent avoir un impact significatif sur le rendement d'une jauge de contrainte. À mesure que la température change, la résistance de la jauge de contrainte peut changer, même en l'absence de toute contrainte appliquée. Cela peut entraîner des erreurs de mesure. Par conséquent, la compensation de température est un aspect important de l’amplification par jauge de contrainte.

Compensation active de la température

La compensation active de la température implique l'utilisation de capteurs ou de circuits supplémentaires pour mesurer la température et ajuster la sortie de la jauge de contrainte en conséquence. Par exemple, une thermistance peut être utilisée pour mesurer la température et la sortie de la jauge de contrainte peut être ajustée en fonction de la lecture de la température.

Compensation passive de la température

Une compensation passive de la température peut être obtenue à l'aide de configurations en pont. Par exemple, dans une configuration en demi-pont ou en pont complet, une ou plusieurs jauges de contrainte peuvent être utilisées comme jauges de compensation de température. Ces jauges sont placées de telle manière qu'elles sont affectées par les mêmes changements de température que la jauge de contrainte de mesure mais pas par la contrainte appliquée. Cela permet d'annuler les changements de résistance induits par la température dans la jauge de contrainte de mesure.

Filtrage des signaux

En plus de l'amplification, le filtrage du signal est également important pour améliorer la qualité de la sortie de la jauge de contrainte. Du bruit et des interférences peuvent être introduits dans le signal à partir de diverses sources, telles que les interférences électromagnétiques (EMI), le bruit de l'alimentation électrique et les vibrations mécaniques.

Filtres passe-bas

Les filtres passe-bas sont couramment utilisés pour supprimer le bruit haute fréquence du signal de la jauge de contrainte. Ces filtres laissent passer les signaux basse fréquence (y compris le signal induit par la contrainte) tout en atténuant le bruit haute fréquence.

Filtres passe-haut

Des filtres passe-haut peuvent être utilisés pour supprimer le bruit basse fréquence, tel que les décalages CC et la dérive lente. Ces filtres laissent passer les signaux haute fréquence tout en atténuant les signaux basse fréquence.

Conclusion

L'amplification de la sortie d'une jauge de contrainte est une étape critique dans de nombreuses applications. En utilisant des configurations de pont appropriées, des amplificateurs de conditionnement de signal, en optimisant la tension d'excitation, en mettant en œuvre une compensation de température et en appliquant un filtrage du signal, il est possible d'augmenter considérablement la sortie d'une jauge de contrainte et d'améliorer la précision de la mesure.

En tant que fournisseur de jauges de contrainte, je comprends l'importance de fournir des jauges de contrainte de haute qualité et le support nécessaire pour l'amplification et le conditionnement du signal. Si vous recherchez des jauges de contrainte ou avez besoin de conseils sur la façon d'amplifier leur sortie, je vous encourage à me contacter pour une discussion détaillée. Nous pouvons travailler ensemble pour trouver la meilleure solution pour votre application spécifique.

Références

• Doebelin, EO (2003). Systèmes de mesure : application et conception. McGraw-Hill.
• Groupe Kistler. (2021). Technologie de jauge de contrainte. Extrait de [URL du site Web]
• Ingénierie Oméga. (2021). Manuel des jauges de contrainte. Extrait de [URL du site Web]