Amplificateur Capteur de Force

Qu'est-ce qu'un amplificateur de capteur de force et comment cela fonctionne-t-il ?

Les amplificateurs de capteurs de force fournissent une tension d'excitation régulée au circuit de jauge de contrainte et convertissent le signal de sortie en mv/V en une autre forme de signal plus utile à l'utilisateur. Le signal généré par le pont de mesure de déformations est un signal de faible intensité et peut ne pas fonctionner avec d'autres composants du système, tels que l'API (Automate Programmable Industriel), les modules d'acquisition de données (DAQ), les ordinateurs ou les microprocesseurs. Ainsi, les fonctions d'amplificateur de signal de capteur de charge de jauge de contrainte comprennent la tension d'excitation, le filtrage ou l'atténuation du bruit, l'amplification du signal et la conversion du signal de sortie.

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Comment fonctionne un amplificateur de capteur ?

Tout d'abord, nous devons comprendre la physique et la science des matériaux sous-jacentes au principe de fonctionnement de la technologie à jauge de contrainte (parfois appelée jauge d'extensométrie). La jauge de contrainte à feuille métallique est un composant dont la résistance électrique varie en fonction de la force appliquée. En d'autres termes, elle convertit (ou transduit) la force, la pression (capteur de pression), la tension, la compression, le couple, le poids, etc. en une variation de la résistance électrique, qui peut ensuite être mesurée.

Les jauges de contrainte sont des conducteurs électriques collées à un film en forme de zigzag. Lorsque ce film est tiré, il s'étire et s'allonge, ainsi que les conducteurs. Lorsqu'il est poussé, il se contracte et se raccourcit. Ce changement de forme provoque également un changement de résistance des conducteurs électriques. La contrainte appliquée dans le capteur de charge peut être déterminée sur la base de ce principe, car la résistance de la jauge de contrainte augmente avec la contrainte appliquée et diminue avec la contraction. Ce même concept est également utilisé dans les capteurs de poids.

Structurellement, un capteur de force est constitué d'un corps métallique (également appelé corps d'épreuve) sur lequel sont collées des jauges de contrainte à feuille métallique. Le corps du capteur est généralement en aluminium ou en acier inoxydable, ce qui confère au capteur deux caractéristiques importantes : (1) la robustesse suffisante pour résister à des charges élevées et (2) l'élasticité pour se déformer au minimum et retrouver sa forme initiale lorsque la force est supprimée.

Lorsqu'une force (tension ou compression) est appliquée, le corps métallique agit comme un « ressort » et est légèrement déformé, et à moins d'être surchargé, reprend sa forme initiale. Au fur et à mesure que la flexion se déforme, la jauge de contrainte change également de forme et par conséquent de résistance électrique, ce qui crée une variation de tension différentielle à travers un circuit de type pont de Wheatstone. Ainsi, le changement de tension est proportionnel à la force physique appliquée au corps d'épreuve, qui peut être calculée via la sortie de tension du circuit de la cellule de charge.

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Ces jauges de contrainte sont disposées dans ce qu'on appelle un circuit amplificateur à pont de Wheatstone (c'est-à-dire un circuit amplificateur à cellule de charge). Cela signifie que quatre jauges de contrainte sont interconnectées en tant que circuit en boucle et que la grille de mesure est disposée en fonction du type de la force mesurée.

Les amplificateurs du pont à jauge de contrainte fournissent une tension d'excitation régulée au circuit amplificateur de cellule de charge et convertissent le signal de sortie mv/V en une autre forme de signal plus utile pour l'utilisateur, par exemple une sortie analogique de cellule de charge de 4 à 20 ma ou une sortie de cellule de charge USB numérique. Le signal généré par le pont de jauges de contrainte est un signal de faible intensité et peut ne pas fonctionner avec d'autres composants du système, tels que l'API, les modules d'acquisition de données (DAQ), les ordinateurs ou les microprocesseurs. Pour certaines applications, il peut être nécessaire de lire un signal local, également connu sous le nom de lecteur de cellule de charge. Ainsi, les fonctions du conditionneur pour capteur de force à jauge de contrainte comprennent la tension d'excitation, le filtrage ou l'atténuation du bruit, l'amplification du signal et la conversion du signal de sortie.

De plus, la variation de la tension de sortie de l'amplificateur est étalonnée pour être linéairement proportionnelle à la force newtonienne appliquée au capteur, qui peut être calculée via l'équation de tension du circuit de la cellule de charge.

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Un concept important concernant les capteurs de force est la sensibilité et la précision de la cellule de charge. La précision du capteur de force peut être définie comme la plus petite quantité de force qui peut être appliquée au corps du capteur nécessaire pour provoquer une variation linéaire et reproductible de la sortie de tension. Plus la précision de la cellule de charge est élevée, mieux c'est, car elle peut constamment capturer des variations de force très sensibles. Dans des applications telles que l'automatisation d'usine de haute précision, la robotique chirurgicale, l'aérospatiale, la linéarité des cellules de charge est primordiale pour alimenter avec précision le système de contrôle PLC ou DAQ avec la mesure précise de la force. Certains de nos capteurs de force universels de type galette présentent une non-linéarité de ±0,1 % (de la sortie nominale) et une non-répétitivité de ±0,05 % RO.

Quelles sont les fonctions d'un amplificateur de capteur de force ?

La fonction d'un circuit amplificateur de capteur de force est de capturer le signal provenant de la cellule de charge ou du capteur de couple et de le convertir en un niveau supérieur de signal électrique. Ces appareils électroniques sont également connus sous le nom de convertisseurs de signaux de cellule de charge, étant donné qu'ils convertissent et modulent les signaux électriques. Pour ce faire, la sortie de faible amplitude mV/V de la cellule de charge passe par plusieurs étapes différentes de conditionnement du signal :

Tension d'excitation :

Les cellules de charge à pont complet ou les capteurs de couple nécessitent une tension d'excitation de l'amplificateur à pont de Wheatstone pour alimenter le pont de jauge de contrainte et générer leur signal de sortie qui sera un ratio de la tension d'excitation d'entrée. Vous devez donc établir si votre DAQ ou votre PLC est compatible avec les contraintes de tension d'entrée ou de tension d'excitation du capteur. En termes simples, une tension d'excitation d'entrée instable conduit à une sortie de cellule de charge instable. Si vous avez besoin d'un module amplificateur de cellule de charge à jauge de contrainte pour PLC ou DAQ et qu'il ne fournit pas une tension d'excitation d'entrée stable, l'amplificateur de cellule de charge sera la source de tension d'excitation pour s'assurer que le capteur fournit un signal de sortie fiable et cohérent. Par exemple, les conditionneurs de signaux numériques USB de FUTEK peuvent fournir une excitation pour les capteurs amplifiés, jusqu'à 24 V en courant continu, depuis l'alimentation USB 2.0 5 V cc.

Filtrage:

Les signaux des capteurs analogiques sont sensibles au bruit électrique et/ou à la tension d'ondulation résiduelle, ce qui peut déformer ou fausser les mesures. Le bruit doit être filtré avant que vous puissiez capturer un signal précis. Les DAQ et les automates programmables conçus pour s'interfacer directement avec les capteurs à pont complet comprendront une bande passante et d'autres formes de conditionnement et de filtration du signal. Dans un conditionneur de signal de cellule de charge à faible bruit, les filtres électroniques éliminent certains effets sur la précision en supprimant le bruit électrique et l'effet d'ondulation au-dessus et en dessous de la plage de signal du capteur analogique, ce qui entraîne un faible ratio signal - bruit. Par exemple, les conditionneurs de signaux de cellule de charge de FUTEK ont une fonction de sélection de bande passante, utilisée pour régler la bande passante de 100 Hz à 50 000 Hz, permettant un filtrage du bruit en fonction de la cellule de charge ou de l'application du capteur de couple.

Amplification :

Un capteur à jauge de contrainte à pont complet peut émettre un signal de l'ordre du nanovolt au millivolt. Lorsque votre DAQ ou votre PLC est limité à la mesure des volts, vous aurez besoin d'un amplificateur à jauge de contrainte pour convertir les millivolts en un signal plus grand. Certains API et DAQ sont livrés avec une amplification intégrée ; d'autres nécessiteront un amplificateur externe. Que faire si votre DAQ ou PLC existant ne fournit pas une amplification intégrée, un conditionnement du signal ou une source d'alimentation stable pour l'excitation du capteur ? Dans ce cas, vous aurez besoin d'un amplificateur à cellule de charge pour combler les lacunes de votre instrumentation, compatible avec votre capteur à pont complet. Pour les capteurs multi-axes, tels que le capteur de couple de force à 6 DoF, il faut un circuit amplificateur à cellule de charge multi-canal capable de traiter toutes les sorties mV/V des canaux.

Conversion de signal :

La majorité des cellules de charge à pont complet et des capteurs ou transducteurs de mesure de force génèrent une sortie analogique dans la gamme des millivolts (mV/V). Le traitement du signal est donc traditionnellement analogique. Par conséquent, si votre système PLC ou DAQ nécessite un amplificateur analogique amplifié (c.-à-d. : amplificateur de cellule de charge 4-20 mA, 0-10 V cc) ou une sortie numérique (USB, SPI), la cellule de charge ou le capteur de couple a besoin d'un conditionneur de signal de jauge de contrainte pour convertir le signal mV/V à la sortie de signal requise. Normalement, un dispositif d’affichage de cellule de charge ou un indicateur de cellule de charge est nécessaire pour l'indication locale (lecture de cellule de charge) de la valeur de mesure de la force.

Certaines applications nécessitent une sortie numérique, ce qui nécessitera un module de conditionnement de signal avec un convertisseur analogique-numérique (CAN). Pour ces applications, deux paramètres essentiels doivent être pris en compte lors de la sélection de l'amplificateur numérique : la résolution sans bruit et la fréquence d'échantillonnage. À cet égard, FUTEK dispose d'une large gamme de kit de sortie USB de cellule de charge (amplificateurs de capteurs de force USB) qui fournit un convertisseur de signal de cellule de charge microprocessé avec une haute résolution interne (24 bits), capable d'offrir jusqu'à 21 ENOB et jusqu'à 19 bits de résolution sans bruit. L'ensemble de notre gamme de modules amplificateurs de cellules de charge USB a une FSR de ± 0,005 % pour la précision et la non-linéarité.

Certaines applications nécessitent un taux d'échantillonnage agressif, où un maximum de mille échantillons par seconde ne suffira pas. Les USB de FUTEK offrent d'excellents taux d'échantillonnage, allant de 5 à 15 000 échantillons par seconde. Veuillez noter que la résolution variera à mesure que votre taux d'échantillonnage augmentera.

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