Mesurer par équilibre
Mesurer une résistance directement oblige à faire confiance à la précision de l’appareil. Le pont de Wheatstone contourne ce problème : il compare la résistance inconnue à des résistances connues et cherche un zéro. Samuel Hunter Christie a décrit ce montage en 1833 et Charles Wheatstone l’a popularisé dix ans plus tard. On le retrouve aujourd’hui dans les balances, les capteurs de pression et presque tous les conditionneurs de jauges de contrainte.
Le montage
Deux diviseurs de tension sont alimentés par la même source Vs :
- D’un côté, R1 en haut et R2 en bas : le point milieu est à Vs × R2 ÷ (R1 + R2).
- De l’autre, R3 en haut et Rx en bas : le point milieu est à Vs × Rx ÷ (R3 + Rx).
La tension de sortie est la différence entre les deux points milieux :
Vs × (Rx ÷ (R3 + Rx) − R2 ÷ (R1 + R2))
Le pont est équilibré, avec une sortie nulle, quand R1 ÷ R2 = R3 ÷ Rx, c’est-à-dire Rx = R2 × R3 ÷ R1.
Exemple
Une jauge de contrainte de 350 Ω occupe la position Rx, à côté d’une résistance de référence R3 de 350 Ω, avec R1 et R2 de 1 000 Ω et une alimentation de 5 V. Sous charge, la jauge passe à 351 Ω :
- Point milieu de référence : 5 × 1 000 ÷ 2 000 = 2,5000 V.
- Point milieu de la jauge : 5 × 351 ÷ 701 = 2,5036 V.
- Tension de sortie : environ 3,566 mV.
- Valeur d’équilibre de Rx : 1 000 × 350 ÷ 1 000 = 350 Ω ; la jauge est donc 0,286 % au-dessus.
- Courant total fourni : environ 9,63 mA.
Pourquoi un pont ?
- Sensibilité : la sortie part de zéro, donc un amplificateur peut grossir une variation d’une fraction de pour cent sans saturer sur une grande tension de décalage.
- Exactitude : à l’équilibre, le résultat ne dépend que des rapports de résistances, pas de l’alimentation ni du voltmètre.
- Compensation thermique : si une seconde jauge identique, non sollicitée, prend la place de R3, les variations de température touchent les deux branches et s’annulent.
Quart de pont, demi-pont, pont complet
Avec une seule jauge active, on parle de quart de pont, et la sortie est légèrement non linéaire. Un demi-pont utilise deux jauges actives, l’une en traction et l’autre en compression, et double le signal. Un pont complet, avec quatre jauges actives comme dans la plupart des capteurs de force (pesons), le quadruple et devient linéaire. Les capteurs sont spécifiés en mV/V : un capteur de 2 mV/V alimenté sous 10 V donne 20 mV à pleine charge.
Conseils pratiques
Gardez une tension d’alimentation assez basse pour que les jauges ne chauffent pas, en général 2 à 10 V. Utilisez des câbles torsadés et blindés : les signaux ne font que quelques millivolts et captent facilement les parasites, notamment le 50 Hz du secteur.