Principes de base des amplificateurs d’instrumentation à jauge de contrainte

L’appareil le plus courant pour la mesure de la charge, de la pression, du couple et même de l’accélération piézorésistive (basse fréquence) est le transducteur à jauge de contrainte. En tant que transducteur, qui convertit une quantité analogique mesurée en un signal électrique, la jauge de contrainte se compose d’une grille à haute résistance, à fil fin ou à feuille mince qui est solidement liée à un échantillon. Lorsque l’éprouvette subit une contrainte, la résistance de la jauge de contrainte est modifiée.

La résistance du transducteur varie d’une manière connue avec la force appliquée, à savoir, la résistance est directement proportionnelle à la force que subit le capteur en raison de la force appliquée. Typiquement, cette variation de résistance est mesurée avec un circuit en pont de Wheatstone, dans lequel la jauge de contrainte comprend l’un des chemins résistifs du pont. Dans cette disposition, le quart ou une branche du pont formé par la jauge de contrainte est la jauge active tandis que les autres branches sont des résistances à valeur fixe ou des jauges non contraintes.

Par Rhdv, CC BY-SA 3.0, Wikipédia

Pont de Wheatstone.

Dans un cas idéal, la jauge de contrainte est la seule résistance du circuit qui varie et uniquement en raison d’un changement de contrainte sur la surface de l’échantillon auquel elle est attachée. La résistance inconnue de la jauge de contrainte R_X doit être mesuré; résistances R₁, R_2, et R₃ sont connus, où R₂ est réglable si besoin. (Dans la configuration de circuit la plus simple, R₂ est constante.) Lorsque la tension mesurée V_g est 0, les deux jambes ont des rapports de tension égaux : R₂/R₁ = R_X/R₃ et R_X= R₃R₂/R_1. (Source de l’image : par Rhdv, CC BY-SA 3.0, Wikimedia)

Une configuration de circuit en pont de Wheatstone peut être facilement interfacée dans une variété de combinaisons. Le pont de Wheatstone est traditionnellement appelé ohmmètre car les résultats sont mesurés en termes de résistance et sont également précis et précis.

L’inconvénient d’un pont de Wheatstone est que sa précision diminue lors de la mesure de grandes résistances, car ces mesures ont tendance à être non linéaires. En outre, la valeur de la résistance de n’importe quelle quantité peut se dégrader en fonction de la température et d’un champ électromagnétique appliqué (CEM). La variation ultérieure peut être facilement démontrée avec un appareil photo flashcube à l’ancienne qui clignote sur une jauge de contrainte nue. Le flash provoque une sortie de la jauge de contrainte même si aucune contrainte physique n’a été appliquée.

Amplification du signal

Mesurer un signal souhaité est une chose, mais rendre la sortie du transducteur appropriée pour une entrée dans un système de mesure ou un appareil IoT en est une autre. Le conditionnement du signal est nécessaire pour fournir un signe de sortie utile, ce qui implique les tâches suivantes :

— Excitation du capteur.

— Calibrage du capteur pour que la sortie ait un sens.

— Amplification pour obtenir le signal là où il doit aller.

— Filtrage pour supprimer le bruit ou d’autres interférences de signal indésirables.

(Pour cette discussion, nous allons nous concentrer uniquement sur la tâche d’amplification.)

Comme avec la plupart des transducteurs qui mesurent des phénomènes analogiques réels, la sortie d’une jauge de contrainte dans un circuit en pont de Wheatstone est relativement faible. Typiquement, la plupart de ces sorties de jauge de contrainte sont inférieures à 10 mV/V ou 10 millivolts de sortie par volt de tension d’excitation. Pour que ces signaux basse tension aient de la valeur dans un système de mesure, ils doivent être amplifiés à un niveau supérieur. Si elle est effectuée correctement, l’amplification augmentera la résolution de la mesure, c’est-à-dire qu’elle augmentera le rapport signal/bruit (S/B). Les modules de conditionnement de signaux incluent généralement des amplificateurs de gain configurables avec des gains allant jusqu’à 2 000 à cet effet.

Les sorties en millivolts sont courantes avec de nombreux transducteurs, y compris les jauges de contrainte, les thermocouples, etc. L’amplification du signal est nécessaire pour amener la sortie mesurée à un niveau acceptable par la prochaine étape du processus d’instrumentation, généralement un convertisseur analogique-numérique (ADC) ou peut-être une entrée dans un commutateur FM ou un multiplicateur PCM numérique d’un filaire ou sans fil ( parfois télémétrie).

Les amplificateurs pour l’instrumentation ont souvent besoin d’une annulation de signal différentiel, en raison du faible niveau du signal de mesure et de la présence constante de signaux de bruit indésirables. Le bruit peut entraîner une distorsion du signal du capteur, ce qui entraîne une lecture instable. Il est important de minimiser autant que possible le bruit dans l’ensemble du système de mesure.

Futek

L’amplificateur différentiel réduit les rapports signal sur bruit.

En plus d’une mise à la terre soignée et d’un filtrage approprié de tous les capteurs et composants, il est crucial d’inclure un amplificateur d’instrumentation différentiel. Un tel dispositif de conditionnement de signal amplifie la différence entre deux tensions d’entrée mais supprime toute tension commune aux deux entrées – qui est souvent la composante du bruit. Les amplificateurs se composent de deux entrées et d’une sortie dont la sortie est idéalement proportionnelle à la différence entre les deux tensions.

Schématiquement, un amplificateur d’instrumentation semble identique à un circuit d’amplificateur opérationnel standard (ampli-op). La différence est que le premier est presque toujours composé en interne de 3 amplis-op. Ceux-ci sont disposés de manière à ce qu’il y ait un amplificateur opérationnel pour tamponner chaque entrée (+, -) et un pour produire la sortie de différenciation souhaitée. Il convient de noter qu’un amplificateur d’instrumentation peut également être construit avec deux amplificateurs opérationnels pour économiser sur les coûts, mais le gain doit être supérieur à deux (+6 dB). (Source de l’image : par Inductiveload, domaine public, Wikimedia)

Par Inductiveload, domaine public, Wikimedia

Schéma d’amplificateur d’instrumentation typique.

Les amplificateurs d’instrumentation fournissent à la fois précision et stabilité au processus de conditionnement du signal. Plus précisément, ces amplificateurs offrent un très faible décalage CC, une faible dérive, un faible bruit, un gain en boucle ouverte très élevé, un rapport de réjection en mode commun très élevé et des impédances d’entrée très élevées.

Parmi ces caractéristiques, une se démarque en ce qui concerne la réduction du bruit : le taux de réjection en mode commun (CMRR). Cette métrique permet de quantifier la capacité de l’amplificateur à rejeter les signaux en mode commun, c’est-à-dire ceux qui apparaissent simultanément et en phase sur les deux entrées. Un CMRR élevé est requis lorsqu’un signal différentiel doit être amplifié en présence d’une entrée de mode commun éventuellement importante, telle qu’une forte interférence électromagnétique (EMI) due à la présence d’un champ électromagnétique. Mathématiquement, CMRR s’exprime comme suit : CMRR=20 log (gain différentiel/gamme de mode commun)

Les fonctions supplémentaires de conditionnement du signal pour les amplificateurs d’instrumentation comprennent des entrées de tension CA et CC et des filtres intégrés qui permettent à certains signaux de passer tout en bloquant d’autres.

En résumé, les jauges de contrainte ont souvent besoin d’amplificateurs différentiels d’instrumentation pour amplifier les signaux de mesure de bas niveau tout en annulant tout bruit associé. De nombreuses entreprises fournissent des amplificateurs d’instrumentation de condition de signal de jauge de contrainte et d’autres filtres et composants électroniques requis dans un seul boîtier. Par exemple, les capteurs de charge, de couple et de pression basés sur des jauges de contrainte à feuille métallique de Futek s’interfacent facilement avec leurs amplificateurs d’instrumentation qui sont prêts à se brancher sur des dispositifs de test, de mesure et d’autres réseaux informatiques et passerelles IoT standard.