Sortie Wheatstone Bridge pour capteurs de pression

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 ingénieurs sont passés par là. Les 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.

Voici le truc : comprendre exactement à quelle tension s'attendre à la sortie du pont n'est pas qu'académique. C'est essentiel pour 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. J'ai vu trop de sessions de débogage qui auraient pu être évitées si quelqu'un avait d'abord calculé le résultat attendu. Le calculateur open the Pressure Sensor Bridge Output sur rftools.io permet de procéder rapidement et sans erreur.

Lorsque vous travaillez avec des signaux de l'ordre des millivolts à un chiffre, chaque détail compte. Un signal de 5 mV superposé à un décalage de 1 mV avec 0,5 mV de bruit ne laisse pas beaucoup de place à l'erreur. Vous devez savoir ce que vous recherchez avant de commencer à explorer les environs avec un oscilloscope.

Les mathématiques sous-jacentes

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

§ 0§

où :

-$V_{ex}$est la tension d'excitation du pont (V) -$S$est la sensibilité du pont, généralement spécifiée en mV/V à la pression maximale -$P$est la pression appliquée (mesurée) -$P_{FS}$est la pression nominale complète du capteur

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

§ 1§

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

Notez que la sensibilité$S$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. J'ai débogué plus d'une conception dans laquelle quelqu'un a traité le mV/V comme s'il avait des unités de tension réelles et s'est retrouvé avec un calcul de gain erroné d'un facteur 1000.

La beauté de cette formulation réside dans sa linéarité. Doublez la pression, doublez le débit. La moitié de la tension d'excitation, la moitié de la sortie. Cela simplifie les calculs, mais n'oubliez pas que les capteurs réels s'écartent de ce comportement idéal aux extrémités de leur plage de fonctionnement.

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. Vous mesurez peut-être la pression d'une ligne dans une usine de fabrication ou vous surveillez un système de commande pneumatique.

Donné :

• Tension d'excitation du pont :$V_{ex} = 5.0\,\text{V}$- Sensibilité du pont :$S = 3.0\,\text{mV/V}$(extrait de la fiche technique)
• Pression maximale :$P_{FS} = 500\,\text{psi}$- Pression appliquée :$P = 175\,\text{psi}$Étape 1 — Sortie à grande échelle :
  $$V_{FSO} = 5.0 \times 3.0\,\text{mV/V} = 15.0\,\text{mV}$$
  Ainsi, à 500 psi, le pont produira 15 mV. Il s'agit de votre sortie maximale théorique pour cette configuration de capteur. Toute valeur supérieure à cette valeur signifie que quelque chose ne va pas. Peut-être que la tension d'excitation est trop élevée ou qu'il y a un défaut dans le pont.

Étape 2 — Déflexion fractionnelle :Le capteur fonctionne à 35 % de sa plage maximale. Il s'agit en fait d'un point de fonctionnement assez confortable. Vous disposez d'une marge de manœuvre suffisante pour faire face aux pics de pression et vous êtes bien au-dessus du plancher sonore. Étape 3 — Sortie du pont à 175 psi :

§ 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 de$5.25\,\text{mV} \times 200 = 1.05\,\text{V}$, un niveau confortable pour un ADC 3,3 V ou 5 V. Vous utilisez environ 30 % d'une plage ADC de 3,3 V, ce qui est raisonnable mais permet d'augmenter le gain si vous souhaitez une meilleure résolution.

Cet exemple montre également pourquoi vous avez besoin d'une amplification. Un signal de 5,25 mV introduit directement dans un ADC 12 bits avec une référence de 3,3 V n'enregistrerait qu'environ 6 comptes. C'est une terrible résolution. Avec un gain de 200, vous utilisez environ 1 200 points, ce qui vous donne une bien meilleure résolution effective.

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. C'est la physique la plus simple. 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.

L'auto-échauffement est réel et sournois. Les résistances du pont dissipent l'énergie, qui se transforme en chaleur. Un élément de pont de 350 Ω fonctionnant à 10 V dissipe environ 285 mW, ce qui ne semble pas beaucoup tant que vous ne réalisez pas qu'il est concentré dans une minuscule puce en silicium. Cette chaleur modifie les valeurs de résistance, ce qui ressemble à un changement de pression dans votre système de mesure.

En règle générale : utilisez l'excitation la plus élevée autorisée par le capteur, sauf si la consommation électrique est une contrainte. Pour les applications alimentées par batterie, vous pouvez revenir à 3,3 V, voire moins. Pour les équipements industriels alimentés en ligne, poussez-les jusqu'au maximum nominal.

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. Vous mesurez la sensibilité réelle pendant le test de production, vous stockez un facteur de correction dans une mémoire EEPROM ou une mémoire flash et vous l'appliquez dans le microprogramme. Il s'agit d'une pratique courante pour les instruments de précision, mais elle augmente les coûts et la complexité. Pour les applications moins exigeantes, vous pouvez simplement spécifier votre ADC et votre amplificateur pour qu'ils gèrent toute la plage de tolérance et acceptent la précision réduite.

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. C'est énorme. Mesurez et soustrayez (ou mettez à zéro automatiquement) le décalage du pont avant d'interpréter la sortie comme une pression.

Certains amplificateurs d'instrumentation sont dotés d'une fonction d'annulation de décalage intégrée. D'autres nécessitent un potentiomètre externe ou un DAC pour injecter un courant de correction. L'approche la plus simple consiste à mesurer la pression nulle en sortie pendant l'étalonnage et à la soustraire dans un logiciel. Assurez-vous simplement que votre système peut gérer toute la plage de décalage. Si votre amplificateur se bloque parce que le décalage le pousse hors de portée, vous êtes bloqué.

La température ne fait qu'empirer les choses. Le décalage du pont varie en fonction de la température, généralement de quelques microvolts par degré Celsius. Pour les travaux de laboratoire, cela n'a peut-être pas d'importance. Pour un appareil situé dans une usine où la température ambiante varie de 40 °C au cours d'un quart de travail, vous devez soit compenser le décalage en température, soit utiliser une technique de mesure ratiométrique qui l'annule.

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. Cela semble efficace, non ? 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.

La plupart des ingénieurs que je connais qui ont travaillé sur des systèmes industriels racontent l'histoire d'un pic de pression « impossible » qui a détruit un capteur parce que quelqu'un l'avait spécifié trop près du bord. Les systèmes hydrauliques sont connus pour cela : la fermeture d'une vanne peut générer un transitoire de pression égal au double de la pression en régime permanent pendant quelques millisecondes. Mieux vaut avoir de la marge et ne pas en avoir besoin.

Quand utiliser cette calculatrice

Cet outil est utile chaque fois que vous devez :

Prédisez la sortie du pont pour une pression de fonctionnement donnée lors de la conception du circuit. Vous êtes assis là avec une fiche technique, vous esquissez votre chaîne de signaux et vous devez savoir à quelles tensions vous avez affaire. Entrez les chiffres, obtenez une réponse, passez à autre chose.

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. C'est l'une des premières choses que je vérifie lorsqu'une mesure de pression ne semble pas correcte. Calculez ce que cela devrait être, mesurez ce que c'est, comparez. S'ils sont désactivés au-delà de la tolérance du capteur, lancez le débogage. 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. Trop peu de gain et vous gaspillez des bits ADC. Trop de gain et vous obtenez des valeurs de pression valides. Faites les choses correctement du premier coup. Comparez les capteurs : branchez les spécifications de différents fournisseurs et déterminez lequel vous offre le meilleur niveau de sortie pour votre budget d'excitation. Parfois, un capteur avec une sensibilité plus faible mais une excitation maximale plus élevée produit un meilleur signal qu'un capteur avec une sensibilité élevée mais des limites d'excitation strictes.

Essayez-le

Connectez les spécifications de votre capteur au calculateur ouvrez la sortie du pont du capteur de pression et obtenez des résultats instantanés pour la sortie du pont, la sortie pleine échelle et la déflexion fractionnée. 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. Je garde cette calculatrice dans mes favoris car elle est plus rapide que les calculs manuels et elle élimine les erreurs de conversion d'unités qui semblent toujours se glisser lorsque vous travaillez avec des spécifications mV/V.