Gain de l'amplificateur à cellule de charge : obtenir une sortie de tension utile

Pourquoi les signaux des cellules de charge sont si ennuyeux

Les cellules de pesée sont omniprésentes : balances industrielles, appareils de mesure de force, capteurs de couple, et même cette balance de salle de bain que vous avez envie de pirater. Ils sont fiables, précis et basés sur une physique bien comprise. Mais ils produisent des signaux absolument infimes, et c'est là que la plupart des projets vont de travers.

Un capteur de charge typique est un pont de Wheatstone composé de jauges de contrainte liées à un élément métallique. Lorsque vous appliquez une force, l'élément se déforme, les résistances changent et vous obtenez une tension différentielle. Ça a l'air assez simple. Le problème réside dans la sensibilité : la plupart des capteurs de pesage émettent entre 1 mV/V et 3 mV/V à pleine échelle. Cette notation « mV/V » fait monter les gens en permanence, alors soyons clairs : cela signifie des millivolts de sortie par volt d'excitation, à pleine charge nominale.

Donc, si vous utilisez une cellule de charge de 2 mV/V avec 5 V et que vous y mettez la pleine charge nominale, vous obtenez 10 mV. C'est toute la plage de vos signaux. Essayez d'alimenter 10 mV dans un ADC 12 bits avec une référence de 3,3 V et vous utiliserez environ 12 comptes de votre 4096. C'est pas génial.

Les mathématiques de la chaîne de signaux

Décrivons ce qui se passe réellement. La tension de sortie maximale de votre capteur de pesage est la suivante :

où $V_{EX}$ est votre tension d'excitation et $S$ est la sensibilité en mV/V (que vous devez convertir en V/V pour que le calcul fonctionne, donc 2 mV/V devient 0,002 V/V).

Après amplification :

où $G$ est le gain de votre amplificateur. Vous voulez que $V_{AMP}$ soit proche de l'entrée pleine échelle de votre ADC sans écrêtage.

La sensibilité de l'ensemble de votre système, c'est-à-dire les volts par unité de charge, devient :

où $F_{FS}$ est votre charge totale, quelles que soient les unités avec lesquelles vous travaillez (kg, livre, N, peu importe tant que vous êtes constant).

Et si vous ciblez une plage d'entrée ADC spécifique, vous pouvez revenir en arrière pour trouver le gain requis :

Exemple concret : une cellule de charge de 100 kg

Supposons que vous ayez un capteur de charge de 100 kg avec une sensibilité de 2 mV/V. Vous utilisez une excitation de 10 V (assez courant pour les cellules industrielles) et vous souhaitez transmettre le signal à un ADC de microcontrôleur avec une référence de 5 V. Vous avez un ampli d'instrumentation INA125 dans votre bac à pièces.

Tout d'abord, trouvez la sortie à grande échelle :

C'est la totalité de votre oscillation de signal à 100 kg. À 50 kg, vous verriez 10 mV. À 1 kg, vous verriez 200 µV. C'est pourquoi vous avez besoin d'une amplification.

Pour remplir une plage ADC 5 V, vous devez :

Ainsi, un gain de 250 placerait votre charge à pleine échelle à 5 V. En pratique, vous feriez un peu de recul. Peut-être visez 4,5 V à pleine échelle pour vous donner une marge de manœuvre. Cela représente un gain de 225.

Maintenant, l'INA125 règle le gain avec une seule résistance conformément au $G = 4 + \frac{60\text{k}\\Omega}{R_G}$. Pour G = 250 :

Vous utiliserez probablement une résistance de 240 Ω ou 249 Ω selon le contenu de votre kit, ce qui vous donnera un gain de 254 ou 245 respectivement. Assez près.

Avec un gain de 250, la sensibilité de votre système devient :

Ou de manière équivalente, 20 comptes par gramme sur un ADC 12 bits. C'est une résolution réalisable pour la plupart des applications de pesage.

# Compromis entre la tension d'excitation

Une excitation plus élevée signifie plus de signal, ce qui est excellent. Mais il y a des limites.

La plupart des capteurs de charge spécifient une tension d'excitation maximale, souvent de 10 V ou 15 V. Si vous augmentez la tension, vous ferez cuire les jauges de contrainte. La dissipation de puissance dans le pont est de $P = V_{EX}^2 / R_{bridge}$, et avec un pont de 350 Ω à 10 V, cela représente près de 300 mW. La chaleur doit aller quelque part, et si elle provoque des gradients thermiques dans le corps de la cellule de charge, vous verrez une dérive.

Une excitation plus faible réduit l'auto-échauffement mais vous donne moins de signal avec lequel travailler. Pour les applications alimentées par batterie, une excitation de 3,3 V ou 5 V est courante, et vous acceptez simplement d'avoir besoin de plus de gain. Une cellule de 2 mV/V à une excitation de 3,3 V ne donne que 6,6 mV à pleine échelle. Il faudrait un gain d'environ 750 pour remplir une plage ADC de 5 V.

Il y a aussi la question de la stabilité de l'excitation. La sortie de votre capteur de pesage est ratiométrique par rapport à la tension d'excitation. Si votre excitation dérive de 0,1 %, votre lecture dérive de 0,1 %. L'utilisation d'une référence de précision pour l'excitation, ou mieux encore, l'utilisation d'un ADC ratiométrique qui fait référence à la même alimentation, élimine cette source d'erreur.

Erreurs et pièges courants

Oublier les unités mV/V

C'est ce que je constate constamment. Quelqu'un lit « 2 mV/V » sur une fiche technique et intègre 2 dans son calcul de gain comme s'il s'agissait de volts. Le résultat est un gain multiplié par 1 000. La sortie de votre amplificateur sera en microvolts alors que vous vous attendiez à des volts, et vous passerez une heure à être convaincu que la cellule de charge est cassée.

Ignorer la tension de décalage

Les cellules de pesée ont un décalage de charge nul, généralement indiqué en pourcentage de la pleine échelle. Une cellule avec un décalage de ± 0,05 % à une excitation de 10 V peut avoir un décalage de ± 5 mV avant même que vous n'appliquiez la charge. Après un gain de 250, cela représente un décalage de ± 1,25 V à l'entrée de votre ADC. Si votre ADC ne peut pas gérer les tensions négatives (la plupart des ADC MCU à alimentation unique ne le peuvent pas), vous avez un problème.

La solution consiste soit à utiliser un couplage AC (rarement approprié pour le pesage), soit à changer de niveau, soit, le plus souvent, à accepter le décalage et à l'étalonner dans un logiciel. Mais vous devez vous assurer que la sortie de votre amplificateur reste dans la plage d'entrée de l'ADC sur toute la plage d'offset plus la plage de signal.

Choisir le gain sans tenir compte du bruit

Un gain plus élevé amplifie tout, y compris le bruit. Si votre capteur de charge et votre câblage détectent 50 µV d'interférences, un gain de 500 les transforme en 25 mV de bruit sur votre ADC. Il peut s'agir de plusieurs LSB sur un convertisseur 12 bits.

Le bruit d'entrée de l'ampli d'instrumentation est également important. Un ampli bon marché avec un bruit d'entrée de 50 nV/√ Hz produira environ 5 µV RMS sur une bande passante de 10 kHz. Ce n'est pas terrible, mais cela s'additionne. De bons amplis à cellule de charge tels que l'INA125 ou l'AD620 sont conçus pour cette application et produisent moins de bruit.

Ne pas filtrer avant l'ADC

Les signaux des cellules de charge sont lents. Le poids ne change pas au kilohertz (à moins que quelque chose ne tourne vraiment mal). Un simple filtre passe-bas RC placé avant l'ADC (ne serait-ce que 1 kΩ et 100 nF pour une coupure de 1,6 kHz) supprime le bruit haute fréquence et empêche le repliement. Ignorer cette étape car « Je vais filtrer dans le logiciel » est paresseux et vous fait perdre de la plage dynamique.

Utiliser la mauvaise topologie d'amplificateur

Une cellule de charge émet un signal différentiel. L'utilisation d'une configuration d'amplificateur opérationnel à extrémité unique élimine le rejet en mode commun qui permet aux cellules de charge de fonctionner correctement dans les environnements bruyants. Utilisez toujours un amplificateur d'instrumentation ou une interface différentiel/asymétrique appropriée.

Suralimentation de l'amplificateur

Si quelqu'un se tient debout sur votre balance de 100 kg, vous pourriez voir 150 kg brièvement. Avec un gain réglé pour mettre 100 kg à 5 V, cette surcharge fait passer l'ampli à 7,5 V, sauf qu'il ne peut pas y aller, alors il se clipse. Certains amplis se rétablissent facilement après un écrêtage ; d'autres mettent quelques millisecondes à revenir, pendant lesquelles vos lectures sont nulles. Concevez le boîtier de surcharge ou ajoutez un circuit de protection.

Sélection pratique des gains

Ne ciblez pas exactement 100 % de votre gamme ADC. Visez 80 à 90 % pour laisser une marge de manœuvre pour les tolérances de décalage, de surcharge et de composants. Si vos calculs indiquent que vous avez besoin d'un gain de 250, pensez à utiliser 200 à la place.

Demandez-vous également si vous allez effectuer un filtrage analogique ou un décalage de niveau qui perturberait votre plage de tensions. Si vous ajoutez un décalage de 0,5 V pour maintenir le signal positif, votre plage utilisable est désormais comprise entre 0,5 V et 5 V, et non entre 0 et 5 V.

Et vérifiez quelles valeurs de gain l'amplificateur que vous avez choisi peut réellement produire. L'équation de gain de l'INA125 signifie que certains gains sont plus faciles à atteindre que d'autres. Vous constaterez peut-être que 200 nécessite une valeur de résistance standard tandis que 225 nécessite quelque chose d'étrange.

Essayez-le

Le calcul n'est pas difficile, mais il est facile de faire des erreurs unitaires ou d'oublier un facteur de 1000 quelque part. Ouvrez le calculateur de gain de l'amplificateur Load Cell pour vérifier rapidement vos chiffres. Branchez votre tension d'excitation, la sensibilité de la cellule de charge, la charge maximale et le gain proposé. Vous verrez immédiatement la sortie pleine échelle, la tension amplifiée, la sensibilité du système et le gain dont vous auriez besoin pour atteindre une plage ADC de 5 V. Il s'agit d'un contrôle d'intégrité qui prend dix secondes et qui peut vous faire économiser un après-midi de débogage.