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Gain de l'Amplificateur de Cellule de Charge

Calcule la tension de sortie de la cellule de charge, le gain amplificateur requis et la sensibilité pour les cellules de charge en pont Wheatstone.

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Formule

V_FS = S × V_ex, V_amp = V_FS × G

S— Sensitivity (mV/V)

V_ex— Excitation voltage (V)

G— Amplifier gain (V/V)

Comment ça marche

Une cellule de charge est un capteur de force qui convertit une charge mécanique en un signal électrique à l'aide d'un pont de Wheatstone composé de jauges de contrainte liées à un élément structurel. La sortie du pont est généralement spécifiée sous forme de sensibilité en mV/V : la tension de sortie en millivolts par volt d'excitation à pleine charge. Une cellule de charge de 2 mV/V sur une excitation de 5 V produit 10 mV à pleine échelle. Étant donné que ce signal de niveau millivolt doit piloter un ADC (souvent 5 V ou 3,3 V à pleine échelle), un amplificateur d'instrumentation de précision est nécessaire. Le gain requis est G = V_ADC_FS/V_FS, où V_ADC_FS est la tension maximale de l'ADC et V_FS est la sortie pleine échelle du capteur de charge en volts. Les circuits intégrés courants incluent l'INA125 (référence de tension intégrée), l'INA128 et les amplificateurs à cellule de charge dédiés tels que le HX711 (24 bits, avec ADC). La dissipation de puissance dans le pont de cellules de charge est P = V_ex²/ (4R_Bridge).

Exemple Résolu

Problème : Un capteur de charge de 50 kg a une sensibilité de 2 mV/V sur une excitation de 5 V, alimentant un ADC 12 bits avec une référence de 3,3 V. Quel gain d'amplificateur est nécessaire et quelle est la résolution en grammes ? Solution : 1. Sortie pleine échelle : V_FS = 2 mV/V × 5 V = 10 mV 2. Gain requis : G = 3300 mV/10 mV = 330 V/V 3. Étape ADC : LSB = 3,3 V/4096 = 0,806 mV 4. Étape de sortie par LSB : 0,806 mV/330 = 2,44 μV 5. Charge par LSB : (2,44 μV/10 mV) × 50 kg = 12,2 g/LSB Résultat : utilisez un gain de 330 (par exemple, INA128 avec R_G = 604/329 × 100 Ω ≈ 150 Ω) ; la résolution est d'environ 12 g par pas ADC.

Conseils Pratiques

✓Pour les systèmes embarqués, le module amplificateur ADC + 24 bits HX711 fournit une solution complète à très faible coût, avec un gain programmable intégré de 64 ou 128.
✓Protégez le câblage du signal de bas niveau entre la cellule de charge et l'amplificateur afin de réduire le captage de 50/60 Hz ; tordez les paires de fils d'excitation et de signal séparément.
✓Remettez à zéro la sortie du bridge dans le firmware après l'assemblage : la précharge mécanique due au matériel de montage déplace le point zéro, ce qui nécessite une correction de tare.

Erreurs Fréquentes

✗Oublier de réduire le gain pour le produit de gain de bande passante de l'amplificateur : un gain de 500 avec un amplificateur opérationnel GBW de 1 MHz ne laisse que 2 kHz de bande passante, ce qui peut entraîner des problèmes de résolution.
✗Omission de la détection d'excitation à 4 fils (Kelvin) : la résistance du fil d'excitation dans le fil d'excitation provoque une erreur de gain proportionnelle à I × R_lead ; la télédétection à 6 fils élimine cette erreur.
✗Utilisation d'un amplificateur opérationnel à alimentation unique sans référence intermédiaire : la sortie du pont oscille symétriquement autour de zéro, et un amplificateur opérationnel rail-rail référencé à v_CC/2 est nécessaire pour éviter l'écrêtage des sorties négatives.

Foire Aux Questions

Que signifie la sensibilité mV/V ?

mV/V (millivolts par volt) signifie que la cellule de charge produit un nombre spécifié de millivolts pour chaque volt d'excitation du pont lorsque la charge maximale est appliquée. Une cellule de charge de 2 mV/V sur une excitation de 10 V produit 20 mV à pleine échelle. Cette spécification normalisée rend la sortie indépendante de la tension d'excitation.

Comment choisir entre un ADC 12 bits et 24 bits pour les applications de cellules de charge ?

Un ADC 12 bits donne 4 096 étapes ; sur une plage de 50 kg, soit une résolution d'environ 12 g. Un ADC 24 bits donne 16 millions de pas, soit une résolution théoriquement inférieure au milligramme, mais le bruit, les vibrations mécaniques et la dérive thermique limitent généralement la résolution pratique à 14 à 16 bits. Pour les balances nécessitant une résolution supérieure à 1 sur 1000, utilisez des ADC 24 bits avec une moyenne adéquate.

Puis-je utiliser un amplificateur opérationnel standard au lieu d'un amplificateur d'instrumentation ?

Ne convient pas aux capteurs de pesage. Un pont de Wheatstone possède une sortie différentielle flottante ; un amplificateur opérationnel standard en configuration différentielle nécessite des résistances adaptées avec précision pour obtenir une réjection en mode commun élevée. Les amplificateurs d'instrumentation (INA) ont une adaptation interne précise (CMRR > 90 dB) et ne nécessitent qu'une seule résistance de gain externe.

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