Calcul de la sortie du pont de Wheatstone pour les capteurs de pression : guide pratique

Pourquoi la sortie du pont est importante dans la détection de pression

Si vous avez déjà câblé un capteur de pression piézorésistif et que vous avez regardé un signal de niveau millivolt en vous demandant si votre lecture est correcte, vous n'êtes pas seul. La plupart des capteurs de pression MEMS et à film collé utilisent un pont de Wheatstone en interne, et la sortie que vous voyez ne représente qu'une infime fraction de la tension d'excitation, mise à l'échelle en fonction de la sensibilité du pont et du rapport entre la pression appliquée et la pression maximale.

Il est essentiel de comprendre exactement à quelle tension s'attendre à la sortie du pont pour plusieurs raisons : concevoir le gain d'amplificateur d'instrumentation correct, régler les plages d'entrée ADC, budgétiser les marges de bruit et simplement vérifier l'intégrité des mesures de votre banc d'essai. Le calculateur [open the Pressure Sensor Bridge Output] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) sur rftools.io permet de procéder rapidement et sans erreur.

Les mathématiques sous-jacentes

Un pont de capteurs de pression produit une tension de sortie proportionnelle à la pression appliquée. La relation est simple :

« MATHBLOCK_0 »

où :

• « MATHINLINE_6 » est la tension d'excitation du pont (V)
• « MATHINLINE_7 » est la sensibilité du pont, généralement spécifiée en mV/V à la pression maximale
• « MATHINLINE_8 » est la pression appliquée (mesurée)
• « MATHINLINE_9 » est la pression nominale complète du capteur

La flexion fractionnelle est simplement le rapport entre la pression appliquée et la pression totale :

« MATHBLOCK_1 »

Et la sortie pleine échelle (FSO), la sortie de pont maximale que vous puissiez voir du capteur, est la suivante :

« MATHBLOCK_2 »

Notez que la sensibilité « MATHINLINE_10 » est généralement donnée en mV/V. Un capteur évalué à 2 mV/V signifie que pour chaque volt d'excitation, le pont produit 2 mV de sortie à pleine pression. Il s'agit d'un rapport sans dimension (millivolts par volt), vous devez donc faire attention aux unités.

Exemple fonctionnel : transmetteur de pression industriel

Passons en revue un scénario réaliste. Vous intégrez un capteur de pression piézorésistif au silicium dans un système de surveillance hydraulique.

Donné :

• Tension d'excitation du pont : « MATHINLINE_11 »
• Sensibilité du pont : « MATHINLINE_12 » (extrait de la fiche technique)
• Pression maximale : « MATHINLINE_13 »
• Pression appliquée : « MATHINLINE_14 »

Étape 1 — Sortie à grande échelle :

« MATHBLOCK_3 »

Ainsi, à 500 psi, le pont produira 15 mV.

Étape 2 — Déflexion fractionnelle :

« MATHBLOCK_4 »

Le capteur fonctionne à 35 % de sa plage maximale.

Étape 3 — Sortie du pont à 175 psi :

« MATHBLOCK_5 »

Ces 5,25 mV sont ce que vous devriez voir sur les bornes de sortie du pont. Si votre amplificateur d'instrumentation a un gain de 200, le signal amplifié est « MATHINLINE_15 », un niveau confortable pour un ADC 3,3 V ou 5 V.

Considérations pratiques en matière de conception

Choisir la bonne tension d'excitation

Une excitation plus élevée signifie un signal de sortie plus important et un meilleur rapport signal/bruit. Cependant, les fiches techniques des capteurs spécifient une tension d'excitation maximale, souvent 10 V ou 12 V pour les capteurs industriels, parfois seulement 1,5 V pour les dispositifs MEMS à faible consommation. Le dépassement de cette limite provoque un auto-échauffement, ce qui introduit une dérive thermique et peut endommager définitivement l'élément sensible. En règle générale : utilisez l'excitation la plus élevée autorisée par le capteur, sauf si la consommation électrique est une contrainte.

Variation de sensibilité

Les valeurs de sensibilité de la fiche technique sont nominales. Les capteurs réels sont livrés avec une tolérance, souvent de ±0,5 mV/V ou plus pour les unités étalonnées. Pour notre exemple de capteur évalué à 3,0 mV/V ± 0,25 mV/V, la sortie pleine échelle pourrait être comprise entre 13,75 mV et 16,25 mV. Votre chaîne de conditionnement du signal doit s'adapter à cette durée. De nombreux modèles incluent une étape d'ajustement du gain logicielle ou matérielle lors de l'étalonnage afin de normaliser la sortie.

Tension de décalage

Les véritables ponts ne sont jamais parfaitement équilibrés. Une spécification de décalage typique peut être de ±1 mV à une excitation de 5 V. Lorsque le signal qui vous intéresse n'est que de 5,25 mV, un décalage de 1 mV représente une erreur de 19 % s'il n'est pas corrigé. Mesurez et soustrayez (ou mettez à zéro automatiquement) le décalage du pont avant d'interpréter la sortie comme une pression.

Fonctionnant en dessous de la pleine échelle

Il est tentant de choisir un capteur dont la pression maximale correspond exactement à la pression maximale attendue. Dans la pratique, le fait de fonctionner à 50 à 80 % de la pleine échelle vous laisse une marge de manœuvre pour faire face aux pics de pression et vous permet de rester dans la zone la plus linéaire de la fonction de transfert du capteur. Notre exemple fonctionne à 35 % de la pleine échelle, ce qui est prudent mais parfaitement acceptable pour un système où 175 psi est le point de fonctionnement normal et où les transitoires peuvent atteindre 400 psi.

Quand utiliser cette calculatrice

Cet outil est utile chaque fois que vous devez :

• Prévoir la sortie du pont pour une pression de fonctionnement donnée lors de la conception du circuit
• Vérifiez les mesures du banc — si la lecture de votre oscilloscope ou de votre multimètre numérique ne correspond pas à la valeur calculée, il se peut que vous ayez un problème de câblage, un capteur endommagé ou un problème d'excitation
• Dimensionnez le gain de votre amplificateur : connaître la plage de sortie attendue vous permet de régler le gain de manière à ce que le signal amplifié remplisse la plage d'entrée de votre ADC sans écrêtage
• Comparez les capteurs : branchez les spécifications de différents fournisseurs et voyez lequel vous offre le meilleur niveau de sortie pour votre budget d'excitation

Essayez-le

Connectez les spécifications de votre propre capteur au calculateur [ouvrez la sortie du pont du capteur de pression] (https://rftools.io/calculators/sensor/pressure-bridge-output/) et obtenez des résultats instantanés pour la sortie du pont, la sortie pleine échelle et la déflexion fractionnelle. C'est un moyen rapide de valider vos hypothèses de conception avant même de démarrer le banc, ou de vérifier une lecture qui ne semble pas tout à fait correcte.