Pont de Wheatstone

Circuit de conditionnement pour jauges de contrainte.

Le pont de Wheatstone est un circuit de conditionnement du signal généralement rencontré lors de l’utilisation de jauges de contrainte.
En effet il est le plus adapté pour la mesure de faibles variations de résistance électrique. Il permet notamment d’obtenir une meilleure sensibilité.

Principe du pont de Wheatstone pour la mesure de contrainte

Ce circuit est composé de quatre résistances montées en pont (R1, R2, R3, R4), d’une alimentation Vin (DC ou AC) et d’une tension de sortie Vout.

Pont de Wheatstone

En appliquant le théorème de Millman aux points B et D. On obtient l’équation suivante :

formule

On dit que le pont est à l’équilibre lorsque la tension de sortie Vout est nulle.
Soit lorsque R2.R3 = R1.R4
C’est-à-dire lorsque les produits des résistances opposées sont égaux.

Lorsque l’on fait de l’extensométrie, nous prenons généralement R1=R2=R3=R4 pour mettre le pont à l’équilibre.

En pratique, ces résistances sont remplacées par des jauges de contrainte (une, deux ou quatre / Quart de pont, demi pont ou pont complet) possédant une résistance variable (à la déformation et à la température notamment).

Une fois à l’équilibre, la différence de potentiel entre les points B et D est nulle. Si une des résistances varie légèrement, on peut alors mesurer cette variation directement avec la mesure du signal de sortie Vout.

On remarque ici une des propriétés fondamentales du pont de Wheatstone : Les résistances R2 et R3 agissent dans le sens positif (augmentation de la résistance) alors que R1 et R4 agissent dans le sens contraire.
Ainsi les deux résistances adjacentes agissent en sens opposé et les résistances opposées agissent dans le même sens. (Cela permet d’éliminer des variations parasites pour par exemple, auto compenser nos jauges en température.)

Principe de fonctionnement du quart de pont de Wheatstone

Il est composé de trois résistances de précision (R2=R3=R4=R ) et d’une jauge de contrainte active, sensible à la déformation que l’on peut noter J1 de résistance égale à : R + α R . (Avec α la variation de résistance relative)

Ce circuit vous permet simplement de récupérer la variation de résistance de la jauge J1 en sortie.
La valeur de sortie Vout est égale à :

formule2 Quart de pont de Wheatstone

Principe de fonctionnement du demi pont de Wheatstone

Il est composé de deux résistances de précision (R3=R4=R) et de deux jauges actives J1 et J2 (de résistance nominale =R)
Les deux jauges actives sont soit disposées l’une en face de l’autre, soit mises côte à côte, en fonction des avantages que l’on veut en tirer.

Si vous souhaitez auto-compenser vos jauges en température, vous les disposerez l’une à côté de l’autre. Une des jauges (J1 par exemple) subira une déformation mécanique (sa résistance devient égale à R + α R) et l’autre sera là en tant que jauge témoin (J2 par exemple) et ne subira pas de déformation mécanique. En revanche les deux jauges subiront la même variation de température et de par leur disposition, une variation de résistance liée à la température, opposée.

La tension de sortie du pont ne dépendra alors que de la déformation de la jauge active J1, l’effet de la température sera lui compensé.

La sensibilité de ce montage est deux fois meilleure que celle du quart de pont.
La valeur de sortie Vout égale :

formule3

Si vous disposez les deux jauges l’une en face de l’autre, elles ne seront pas auto-compensées en température mais la sensibilité sera augmentée (x2).

Demi pont de Wheatstone

Principe de fonctionnement du pont complet de Wheatstone

Il est composé de quatre jauges actives de résistance nominale égale à R.
Ces quatre jauges subissent une déformation mécanique telle que leur résistance devient égale à : R+ α R (avec α la variation relative de résistance).
De par le design du circuit, ces jauges sont automatiquement auto-compensées en température.
C’est le montage qui permet d’obtenir une sensibilité optimale. Ici la valeur de sortie Vout est égale à :

formule4 Pont complet de Wheatstone

Principe de conditionnement des nano jauges de contrainte

Nos nano jauges de contrainte ont la particularité de présenter un facteur de jauge élevé (G=30). La sensibilité de nos jauges se suffit généralement à elle-même.

Ainsi l’unique avantage du pont de Wheatstone dans le conditionnement des nano jauges est l’auto compensation en température des demi pont et pont complet.

Le montage en quart de pont ne présente pas d’intérêt particulier. La manière la plus simple de récupérer la variation de résistance avec les nano jauges de contrainte est d’utiliser un pont diviseur de tension.

Pont diviseur de tension

C’est sur ce type de circuit qu’est basé notre conditionneur à nano jauges de contrainte : le NanoDAQ, qui vous permet de récupérer vos données directement sur un port série.

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