Configurations de pont pour capteurs de pression
Cet article décrit les configurations de pont de différents capteurs de pression, lorsque chacun peut et ne peut pas être utilisé, ainsi que les avantages et les inconvénients de chacun.
Introduction
Le pont de Wheatstone est au cœur de Merit Sensor de pressione MEMS et est composé d'un groupe de quatre résistances sur un diaphragme gravé en silicium. Lorsqu'une pression est appliquée sur le diaphragme, les résistances sont sollicitées, ce qui modifie leur résistance.
Dans un cadre idéal, toutes les résistances seraient parfaitement adaptées et totalement indépendantes de la température.
Cependant, en pratique, des différences existent entre les valeurs de résistance de chaque résistance. De plus, la température modifie également les valeurs de résistance. La modification des valeurs de résistance et de la sortie globale du pont causée par la température est appelée coefficient de température de résistance, ou TCR.
Un capteur de pression fonctionnant indépendamment de la température est nécessaire dans de nombreuses applications. De telles applications nécessitent la compensation du TCR du capteur de pression.
La compensation TCR peut être effectuée selon deux méthodes générales - passive et active. En compensation passive, les valeurs de chaque résistance de pont doivent être mesurées afin de déterminer les valeurs requises pour les résistances de compensation.
En compensation active, un circuit analogique, un microcontrôleur ou un conditionneur de signal enregistre la sortie du pont dans diverses conditions de pression et de température et ajuste les sorties du capteur en conséquence.
Configurations de pont
un. Fermé – Un pont dans lequel toutes les résistances sont connectées (Voir Figure 1).
Figure 1. Pont fermé.
Dans un pont fermé, les résistances individuelles ne peuvent pas être mesurées car les trois autres résistances du pont auront toujours une influence sur elles.
b. À moitié ouvert – Un pont semi-ouvert est divisé en deux branches et relié à une extrémité (voir Figure 2).
Figure 2. Pont à moitié ouvert.
Contrairement au pont fermé, un pont semi-ouvert permet de mesurer chaque résistance, ce qui est un avantage si les performances du capteur doivent être déterminées. De plus, un pont semi-ouvert permet l'ajout d'une compensation active ou passive selon les besoins.
Une connexion électrique supplémentaire est nécessaire par un pont à moitié ouvert.
c. Complètement ouvert – Un pont complètement ouvert est divisé en deux branches et est ouvert aux deux extrémités (voir Figure 3).
Figure 3. Pont complètement ouvert.
Tout comme le pont semi-ouvert, le pont complètement ouvert permet également la mesure pour chaque résistance. Il peut utiliser une compensation active ou passive. De plus, chaque moitié du pont peut être alimentée et mesurée indépendamment, ce qui est un avantage car certains conditionneurs de signal couramment utilisés dans applications de capteur de pression besoin de deux branches indépendantes.
Cependant, la configuration en pont complètement ouvert nécessite une connexion électrique supplémentaire qui va au-delà de celle requise par la configuration semi-ouverte.
Exemples d'implémentations
un. Fermé – Comme il n'est pas possible de mesurer les résistances individuelles dans un pont fermé, il peut être utilisé avec une compensation active ou dans une application où les fluctuations de sortie du capteur causées par les changements de température sont acceptables.
Un pont fermé avec compensation active est illustré à la figure 4.
Figure 4. Pont fermé avec dispositif d'interface (ASIC de conditionnement de signal, microcontrôleur, circuits analogiques, etc.)
Un pressostat est un exemple d'application appropriée pour un pont fermé, où l'indépendance de la température n'est pas critique. Ici, savoir qu'un seuil de pression a été atteint est plus important que de mesurer la pression absolue.
b. À moitié ouvert – Comme le montre la Figure 4, une compensation active peut être appliquée au pont semi-ouvert. De même, la compensation passive peut également être appliquée au pont semi-ouvert, comme illustré à la figure 5.
Figure 5. Pont semi-ouvert avec compensation passive.
La figure 5 montre la mise en œuvre d'un pont semi-ouvert avec compensation passive, indiquant que les composants ajoutés et la connexion électrique supplémentaire (Vdans+) sont nécessaires pour fermer le pont. Comme son nom l'indique, des résistances supplémentaires permettent de compenser l'étendue, le zéro et l'impédance de sortie. Ces composants doivent être ajoutés après avoir pris les mesures du pont ouvert dans les conditions requises.
c. Complètement ouvert – Le pont ouvert complet a une large gamme d'implémentations. En plus d'être utilisé comme un pont entièrement ouvert, le pont entièrement ouvert peut être utilisé comme un pont fermé (Figure 4) ou semi-ouvert (Figure 5). La figure 6 montre comment un pont entièrement ouvert peut être utilisé pour deux fonctions : la pression et la température.
Figure 6. Pont complètement ouvert avec deux fonctions.
Dans cette implémentation, la moitié du pont est utilisée comme capteur de pression et l'autre est utilisé comme capteur de température. Comme il n'y a que l'oscillation de tension de la moitié du pont, seule la moitié du signal de sortie de pression sera présente. Cependant, cela offre l'avantage supplémentaire de mesurer la température réelle de la filière. Par rapport à une mesure de température ambiante, cette mesure de température permettra une entrée plus précise pour la compensation de température.
Choisir la configuration appropriée pour une application
Il est nécessaire de considérer l'ensemble du système de détection lors de la prise de décisions concernant la configuration du pont. Tout d'abord, les utilisateurs doivent décider si l'indépendance vis-à-vis de la température est significative. Si c'est important, ils doivent alors décider si la compensation passive ou active sera utilisée. Si la compensation active est sélectionnée et qu'un conditionneur de signal ou un autre appareil électronique sera utilisé, il doit répondre aux exigences de cet appareil. Des précautions doivent être prises car les appareils ayant des fonctions similaires peuvent avoir des exigences très différentes.
Comme indiqué précédemment, chaque configuration a ses propres avantages et inconvénients. Bien que les connexions électriques supplémentaires d'un pont complètement ouvert ajoutent à la complexité de l'assemblage, cela permet plus de flexibilité et offre également la possibilité de résoudre plus facilement les problèmes de pont.
Finalement, la configuration du pont doit être choisie sur la base d'une analyse approfondie du système.
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