Pour mesurer la contrainte à l'aide d'une jaugette de contrainte à résistance collée, celle-ci doit faire partie d'un circuit électrique capable de détecter de faibles variations de résistance. Un pont de Wheatstone est un circuit fondamental utilisé à cette fin, qui permet de mesurer avec précision les variations infimes de résistance en équilibrant deux diviseurs de tension. Lorsque le circuit est en équilibre, la tension de sortie est nulle, mais lorsque la contrainte provoque une variation de la résistance, un déséquilibre se produit, générant un signal de tension mesurable. Cela rend le pont de Wheatstone très efficace pour la mesure de la contrainte, car il améliore la sensibilité et compense les sources d'erreur potentielles telles que les fluctuations de température.
Qu'est-ce qu'un pont de Wheatstone ?
Un pont de Wheatstone est un circuit électrique conçu pour mesurer avec précision des résistances inconnues en équilibrant deux réseaux diviseurs de tension – communément appelés « branches » – du pont. Le circuit fonctionne selon le principe de la déviation nulle, ce qui signifie que lorsque le pont est équilibré, aucun courant ne circule dans l'instrument de détection.
Configuration du circuit
Le pont de Wheatstone se compose de : 
- Quatre résistances disposées en forme de losange (pont) :
- Deux résistances connues (R 1 et R 2)
- Une résistance réglable (R 3 – une résistance variable)
- Une résistance inconnue à mesurer (R 4 ou R g)
- Une source de tension continue (V IN) appliquée aux coins opposés du pont (entre les points A et C)
- Un galvanomètre (ou voltmètre) connecté entre les points centraux (B et D)
Comment fonctionne un pont de Wheatstone ?
La précision d'un pont de Wheatstone dépend du fait que le pont soit équilibré ou déséquilibré. Il est essentiel de comprendre ces conditions pour comprendre comment le circuit détecte et mesure une résistance inconnue.
Un pont de Wheatstone équilibré se produit lorsque le rapport des résistances dans une branche du pont est égal au rapport dans l'autre branche. Dans cet état, la tension aux deux points médians du circuit est la même, ce qui signifie qu'aucun courant ne circule dans le galvanomètre (l'appareil de mesure). Lorsque le pont est équilibré, la résistance inconnue peut être déterminée à l'aide d'une équation simple sans interférence de facteurs externes, ce qui en fait une méthode idéale pour des mesures de précision.
Un unbalanced Wheatstone bridge happens when the resistance ratios do not match, causing a voltage difference between the midpoints. This imbalance results in a current flowing through the galvanometer, creating a measurable deflection. The direction and magnitude of this deflection indicate the difference between the expected and actual resistance values. By adjusting one of the known resistances or analyzing the voltage difference, the unknown resistance can be accurately determined. This unbalanced state is useful in sensor applications, such as strain gauges or temperature sensors, where small resistance changes need to be continuously monitored.
pont de Wheatstone déséquilibré se produit lorsque les rapports de résistance ne correspondent pas, ce qui entraîne une différence de tension entre les points médians. Ce déséquilibre entraîne un courant qui circule dans le galvanomètre, créant une déviation mesurable. La direction et l'amplitude de cette déviation indiquent la différence entre les valeurs de résistance attendues et réelles. En ajustant l'une des résistances connues ou en analysant la différence de tension, la résistance inconnue peut être déterminée avec précision. Cet état déséquilibré est utile dans les applications de capteurs, telles que les jauges de contrainte ou les capteurs de température, où de petits changements de résistance doivent être surveillés en permanence.
Le circuit à pont en chevron est un agencement à canaux multiples qui sert à compenser les variations de résistance des bras du pont en les commutant périodiquement. Ici, les quatre positions de canal sont utilisées pour commuter le voltmètre numérique (DVM) entre les configurations G-bridge (une jauge active) et H-bridge (deux jauges actives). Le dispositif de mesure DVM partage toujours l'alimentation électrique et un pont H interne. Cette configuration est les plus populaires pour les mesures de contrainte sur les machines tournantes, où elle peut réduire le nombre de bagues collectrices nécessaires.
Pourquoi les jauges de contrainte ont-elles besoin de circuits en pont de Wheatstone ?
Une jauge de contrainte est un capteur qui mesure la déformation mécanique en convertissant la contrainte (étirement ou compression) en une variation de la résistance électrique. Cependant, cette variation de résistance est généralement très faible, ce qui rend difficile sa mesure directe avec une grande précision. C'est là que le pont de Wheatstone joue un rôle crucial.
Utilisés pour mesurer les faibles variations de résistance dans une jauge de contrainte en détectant les déséquilibres de tension, les circuits à pont de Wheatstone mesurent les faibles variations de résistance dans une jauge de contrainte. Lorsque la jauge de contrainte est intégrée à un ou plusieurs bras du pont, toute contrainte appliquée modifie sa résistance, ce qui perturbe l'équilibre du pont et génère une tension de sortie mesurable. Cette variation de tension est proportionnelle à la contrainte, ce qui permet une surveillance précise des forces, des pressions et des déformations structurelles.
En utilisant différentes configurations de pont de Wheatstone (quart de pont (une jauge de contrainte), demi-pont (deux jauges de contrainte) ou pont complet (quatre jauges de contrainte)), il est possible d'améliorer la sensibilité et la précision de la mesure. De plus, une configuration en pont complet peut aider à compenser les variations de température et d'autres facteurs externes susceptibles d'affecter la résistance. Cette combinaison de jauges de contrainte et de circuits en pont de Wheatstone est largement utilisée dans des applications industrielles telles que les cellules de charge, les capteurs de pression et les systèmes de surveillance de l'état des structures.
Installation stratégique
Les circuits à jauges de contrainte produisent des signaux de tension de faible niveau, nécessitant souvent des sensibilités d'environ 100 microvolts ou plus. Cela les rend particulièrement sensibles au bruit provenant des appareils électriques. Les sources d'erreur potentielles comprennent le couplage capacitif des fils conducteurs passant à proximité de câbles d'alimentation CA, l'induction magnétique provenant de champs magnétiques variables, les résistances de contact parasites dans les fils conducteurs, les défaillances d'isolation et les effets thermoélectriques aux jonctions de métaux dissemblables. Ces interférences peuvent dégrader considérablement la qualité du signal.
Blindage
Pour atténuer les interférences électriques et le bruit, il est essentiel de mettre en œuvre un blindage approprié. Le fait d'enfermer les fils de mesure dans un blindage permet d'intercepter les interférences externes et de réduire les erreurs dues à la dégradation de l'isolation. Le blindage protège également contre le couplage capacitif. Lorsqu'ils sont acheminés à proximité de sources d'interférences électromagnétiques, telles que des Transformateurs, le fait de les torsader permet de minimiser la dégradation du signal due à l'induction magnétique en annulant les courants induits. Dans les applications industrielles, des fils de mesure torsadés et blindés sont couramment utilisés pour maintenir l'intégrité du signal.
Protection
Au-delà du blindage, la protection de l'instrumentation elle-même est tout aussi importante. Une protection, généralement un boîtier en tôle entourant les circuits analogiques, est connectée au blindage afin de garantir que tous les composants sont au même potentiel électrique, empêchant ainsi les flux de courant parasites. Les courants de terre circulant à travers l'élément de jauge de contrainte ou ses fils conducteurs peuvent être impossibles à distinguer du signal de mesure dans un circuit en pont de Wheatstone. La mise en œuvre de la protection garantit que les bornes des composants électriques restent au même potentiel, empêchant ainsi les courants induisant des erreurs. De plus, la connexion d'un fil de protection entre l'échantillon testé et la borne négative de l'alimentation électrique fournit un chemin alternatif pour les courants produisant des erreurs, garantissant que tous les éléments impliqués sont au même potentiel que l'échantillon testé.
Effets des fils d'alimentation
Les jauges de contrainte sont parfois montées à distance de l'équipement de mesure. Cela augmente le risque d'erreurs dues aux variations de température, à la désensibilisation des fils et aux changements de résistance des fils conducteurs. Dans une installation à deux fils, les deux fils sont en série avec l'élément extensomètre, et toute variation de la résistance des fils d'alimentation (R1) sera impossible à distinguer des variations de la résistance de l'extensomètre (Rg).
Pour corriger les effets des fils d'alimentation, un troisième fil supplémentaire peut être introduit dans le bras supérieur du pont. Dans cette configuration, le fil C agit comme un fil de détection sans courant qui le traverse, et les fils A et B se trouvent dans les branches opposées du pont. Il s'agit de la méthode minimale acceptable pour câbler des jauges de contrainte à un pont afin d'annuler au moins une partie de l'effet des erreurs des fils d'extension. Théoriquement, si les fils conducteurs du capteur ont la même résistance nominale, le même coefficient de température et sont maintenus à la même température, une compensation totale est obtenue. En réalité, les fils sont fabriqués avec une tolérance d'environ 10 %, et l'installation à trois fils n'élimine pas complètement les erreurs à deux fils, mais les réduit d'un ordre de grandeur. Si une amélioration supplémentaire est souhaitée, il convient d'envisager des installations à quatre fils et à compensation de décalage.
Dans les installations à deux fils, l'erreur introduite par la résistance du fil conducteur est fonction du rapport de résistance R1/Rg. L'erreur de câble n'est généralement pas significative si la résistance du fil conducteur (R1) est faible par rapport à la résistance du calibre (Rg), mais si la résistance du fil conducteur dépasse 0,1 % de la résistance nominale du calibre, cette source d'erreur devient significative. Par conséquent, dans les applications industrielles, la longueur des fils conducteurs doit être réduite au minimum ou éliminée en plaçant le transmetteur directement au niveau du capteur.
Température et facteur de jauge
Les matériaux sensibles à la déformation, tels que le cuivre, modifient leur structure interne à haute température. La température peut modifier non seulement les propriétés d'un élément de jauge de contrainte, mais aussi celles du matériau de base auquel la jauge de contrainte est fixée. Les différences de coefficients de dilatation entre la jauge et les matériaux de base peuvent entraîner des changements dimensionnels dans l'élément capteur. Par conséquent, un circuit de compensation de température serait nécessaire.
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Écrit par : Dan Schultz
Mise à jour le : 30 octobre 2025
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Written by: Dan Schultz
Updated on: March 30, 2026