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Calculateur de pont à jauge de contrainte

Calculez la tension de sortie du pont pour les jauges de contrainte en configurations quart, moitié et pont complet. Déterminez la sortie en mV et l'évolution de la résistance pour les cellules de pesée.

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Formule

Vout=Vin⋅GF⋅ε4⋅NV_{out} = V_{in} \cdot \frac{GF \cdot \varepsilon}{4} \cdot N
V_out— Tension de sortie du pont (V)
V_in— Tension d'excitation (V)
GF— Facteur de jauge
ε— Déformation appliquée (m/m) (m/m)
N— Nombre de bras actifs (1, 2 ou 4)

Comment ça marche

Ce calculateur calcule la tension de sortie du pont de jauges de contrainte à partir de la contrainte appliquée, ce qui est essentiel pour les ingénieurs en structure, les techniciens d'essais et les concepteurs aérospatiaux effectuant des analyses des contraintes et des mesures de charge. Les jauges de contrainte convertissent la déformation mécanique en variation de résistance via le facteur de jauge : dr/R = GF epsilon, où GF (facteur de jauge) est généralement de 2,0 à 2,2 pour les jauges à feuille métallique et de 100 à 200 pour les jauges à semi-conducteurs, selon les fabricants Vishay et HBM. Le pont de Wheatstone convertit cette infime variation de résistance (0,01-0,1 %) en une tension mesurable : Vout = Vex GF epsilon N/4, où N est le nombre de jauges actives (1, 2 ou 4). Un quart de pont (N=1) avec 2,1 GF et 1000 microsouches produit Vout = 5 V 2,1 0,001/4 = 2,625 mV. Le pont complet (N=4) quadruple la sensibilité à 10,5 mV et fournit une compensation automatique de température conformément à la norme ASTM E251. La non-linéarité du pont est < 0,1 % pour les souches inférieures à 5 000 microsouches. Les cellules de charge industrielles atteignent une précision de +/- 0,02 % en utilisant des jauges à feuille de 350 ohms adaptées aux exigences OIML R60.

Exemple Résolu

Problème : Concevoir un circuit de jauge de contrainte à pont complet pour mesurer 0 à 2 000 microcontraintes sur un longeron d'aile d'avion. Les jauges sont Vishay EA-06-125AD-120 (GF = 2.095, 120 ohms). L'excitation est de 5 V. Déterminez la tension de sortie et le gain d'amplificateur requis pour un ADC 3,3 V.

Solution :

  1. Configuration du pont complet : N = 4 jauges actives
  2. Déformation maximale : epsilon = 2000 microsouches = 0,002
  3. Tension de sortie : Vout = Vex GF epsilon N/4 = 5 2,095 0,002 1 = 20,95 mV
  4. Sensibilité : 20,95 mV/2000 microsouches = 10,48 uV/microsouche
  5. Gain d'amplificateur requis : G = 3300 mV/20,95 mV = 157,5 V/V
  6. Utilisez INA128 avec Rg = 50 k/ (G-1) = 50 k/156,5 = 319 ohms (utilisez 316 ohms, 0,1 %)
  7. Résolution avec ADC 12 bits : 3300 mV/4096/157,5 = 5,1 uV = 0,49 microstraine/LSB

Résultat : le pont complet produit 20,95 mV à 2000 microsouches. Avec un gain de 157,5, la résolution de l'ADC est de 0,5 microsouche par compte.

Conseils Pratiques

  • ✓Pour les essais structuraux, utilisez des manomètres de 350 ohms pour minimiser l'auto-échauffement (0,7 mW à une excitation de 5 V) tout en maintenant un niveau de signal adéquat ; les jauges de 120 ohms dissipent 52 mW, provoquant une dérive thermique selon la norme ASTM E251
  • ✓Appliquez des manomètres avec du M-Bond 200 (cyanoacrylate) pour la température ambiante ou du M-Bond 610 (époxy) pour une plage de -269 à +260 °C conformément au bulletin d'installation Vishay B-127
  • ✓Utilisez un câble blindé à 4 fils pour éliminer les erreurs de résistance du câble ; 10 m de câble 24 AWG ajoutent 1,7 ohm, ce qui entraîne une erreur de gain de 1,4 % dans un quart de pont de 120 ohms sans fils de détection

Erreurs Fréquentes

  • ✗Négliger la compensation de température : la sortie en quart de pont non compensée dérive de 10 à 50 uV/C en raison du TCR de la jauge et du fil conducteur ; utilisez des jauges à compensation automatique de température (STC) adaptées au matériau de l'échantillon conformément à la note technique TN-504 de Vishay
  • ✗Utilisation d'un facteur de jauge incorrect : le GF varie de 2,0 (constantan) à 3,2 (isoélastique) pour les feuilles métalliques et de 100 à 175 pour les jauges à semi-conducteurs ; une erreur GF de 10 % entraîne directement une erreur de mesure de déformation de 10 %
  • ✗Ignorer la stabilité d'excitation du pont : une variation d'alimentation de 0,1 % entraîne une erreur de sortie de 0,1 % (1 microsouche pour 1 000 microsouches) ; utilisez une référence de tension de précision (REF5050, +/ -0,05 %) ou une mesure ADC ratiométrique

Foire Aux Questions

Le facteur de jauge (GF) est le rapport entre le changement de résistance relatif et la déformation : GF = (Dr/r) /epsilon. Les jauges à feuille métallique ont un GF = 2,0 à 2,2 (dominé par le changement géométrique), tandis que les jauges à semi-conducteurs ont un GF = 100-200 (effet piézorésistif). Un GF plus élevé fournit une tension de sortie plus élevée par microsouche, mais les jauges à semi-conducteurs sont plus sensibles à la température (+/ -10 %/50 °C contre +/ -1 %/50 °C pour la feuille). Pour des mesures de précision, les jauges à film avec une incertitude GF inférieure à +/- 0,5 % par étalonnage du fabricant sont préférées conformément à la norme ASTM E251.
À 1000 microsouches avec GF = 2,1, la résistance ne change que de 0,21 % (0,252 ohms sur une jauge de 120 ohms). La mesure directe de l'ohmmètre ne permet pas de résoudre ce problème en ce qui concerne la dérive de température et la résistance du plomb. Le pont de Wheatstone convertit une variation de résistance de 0,21 % en une sortie différentielle de 2,625 mV, qui est facilement amplifiée. Les configurations en pont fournissent également une compensation automatique de la température lorsque les manomètres factices subissent la même température mais pas la même contrainte, éliminant ainsi la dérive thermique en mode commun conformément à la norme VDI/VDE 2635.

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