Trois méthodes employées dans la pratique

Pour mesurer des efforts, utiliser des capteurs de force offre de nombreux avantages, comme une très grande précision. Cependant, parfois il est plus avantageux de mesurer la force dans l’ensemble mécanique lui-même. Dans ce cas, il existe des capteurs spéciaux disponibles avec une précision appropriée. Cet article présente trois solutions techniques utilisées pour mesure la force dans l’ensemble mécanique.


Les capteurs de force étalonnés offrent l'avantage de connaître la courbe caractéristique du capteur, courbe déterminée pendant l’étalonnage avec un relevé du signal de sortie en fonction de la force appliquée qui peut facilement être reproduite même après l'installation sur site. Il est nécessaire que le capteur de force soit monté dans l'axe de la force et qu'il n'y ait aucune dérivation de la force. Il faut donc s'assurer que la force entière à mesurer traverse bien le capteur.


Cela signifie également que des caractéristiques du capteur de force comme sa rigidité et son comportement dynamique peuvent affecter l’ensemble mécanique. En outre, pour des efforts élevés, les capteurs de force sont en général de grandes dimensions.


En solution alternative, une mesure de force peut être effectuée à partir de la déformation de la structure sur laquelle les efforts sont appliqués.
Ainsi, il y a donc trois méthodes différentes disponibles pour répondre à votre besoin.


Les trois solutions suivantes peuvent être employées :

 

  • Installation de jauges de contrainte
  • Mise en place d’un extensomètre, vissé sur la structure, parfois même équipé d’une électronique intégrée
  • Utilisation de rondelles de force, basée sur le principe des jauges de contrainte ou de la technologie piézoélectrique

Le tableau ci-dessous montre les principaux avantages et inconvénients des trois méthodes présentées : 

Effort d'installation  (collage, câblage, protection)

  • Etalonnage de l'ensemble mécanique de force requis
  • Etalonnage de l'ensemble mécanique de force requis (effort réduit avec la version électronique intégrée)
Installation de jauges de contrainte Mise place d'extensomètres Utilisation de rondelles de force

Avantages
 

 
  • Solution adaptée pour les structures fortement  filiganes avec une force appliquée petite qui ne permettent pas d'utiliser les autres méthodes en raison d'une dérivation excessive de la force
  • Espace minimum exigé
 
 
  • Installation facile par vissage sur les structures existantes et rapidement utilisable
  • Compensation des effets de contraintes qui doivent être  supprimés en raccordant plusieurs capteurs en  parallèlel
  • Version avec  électronique intégrée pouvant être directement calibrée dans l' application
 
 
  • Idéales pour un usage sur des boulons et vis
  • Degré de protection élevé
  • Livrées prêtes à l'installation
 
Inconvénients
 

 

 
  • Effort d'installation( collage, câblage, protection)
  • Etalonnage de l'ensemble mécanique de force requis
 
 
  • Etalonnage dans l'ensemble mécanique de force éxigé (effort réduit avec la version électronique intégrée)
 
 
  • Etalonnage dans l'ensemble mécanique de force également requis

 

 

 

Jauges de contrainte pour mesurer des forces sur les structures

Fig. 1: Jauge VY41. cette jauge est disposée en pont complet permettant ainsi de minimiser le cablâge. Dans ce cas la jauge doit être installée en respectant un angle de 45°.

Installer directement des jauges de contrainte pour mesurer la force présente plusieurs avantages

Les jauges de contrainte (SG) collées n'ont pratiquement aucune influence sur la structure de la pièce testée. La rigidité et le comportement dynamique de la structure demeurent, dans son ensemble, sans changement. Les jauges de contrainte offrent clairement des avantages quand des structures en filigrane sont impliquées, car en effet elles exigent seulement des forces très petites pour être déformées.

Dans cette solution, les jauges sont montées en ponts complets qui, une fois soigneusement choisies, compensent les effets parasites (comme les moments de flexion ou de torsion) ou, alternativement, mesurent ces effets [1], [2].
En admettant un chargement en traction / compression sans aucun moment de flexion agissant sur l'objet, les jauges de contraintes ponts complets sont la solution idéale. Par exemple, les jauges VY41 de HBM peuvent être installées avec un angle de 45 degrés.

Le signal de sortie du pont de mesure dépend uniquement du facteur jauge de la jauge de contrainte employée et du niveau de contrainte mais aussi du coefficient de Poisson du matériau. Il peut être calculé selon la formule :

In this:

U/U0 Signal de sortie du pont de jauge
kfacteur jauge de la jauge
εContrainte sur la jauge
µCoefficient de Poisson

Dans une structure métallique soumise à un effort mécanique de 20 MPA, une contrainte résultante de 100 µm/m et un facteur de jauge de 2, la formule ci-dessus permet de calculer un signal de sortie de 0.13 mV/V.

Ce calcul montre également le petit inconvénient des jauges de contrainte collées. La structure est conçue pour permettre d'atteindre une rigidité définie, le signal de sortie des jauges sera très petit.


De plus, les jauges de contrainte doivent être installées sur place. Un revêtement de protection est exigé. En outre, les jauges de contrainte doivent être reliées avec grand soin ce qui augmente le temps nécessaire à l'installation. La mise en œuvre des jauges de contrainte est décrite en détail dans les instructions fournies avec les adhésifs et les produits de protection mais également abordée dans les articles et les conférences de HBM.

Pour augmenter le signal de sortie du pont de mesure, il est toujours possible, sous contrôle, d’affaiblir la partie concernée du composant. Toutefois, cela peut affecter la rigidité de l'objet. Ce qui, par conséquence affecterait le comportement dynamique et la stabilité de la machine.

Utilisation d’extensomètres pour mesurer des efforts

Fig. 3: Corps d'épreuve du SLB: cette image montre clairement la zone de déformation où sont installées les jauges
Fig. 2: Extensomètre SLB700 équipé de jauges

Les extensomètres sont des capteurs qui peuvent être installées sur la structure existante. Ces capteurs sont construits sur la base d’un corps d’épreuve sur lequel un pont complet de jauges de contrainte a été installé.

Comme vous pouvez le voir sur la photo, l’emplacement des jauges est recouvert d’un enduit silicone (partie blanche sur le capteur) qui, en plus de la protection contre l'humidité assure un certain degré de protection mécanique.

Ces extensomètres sont basés sur le principe de la transformation de contraintes. La contrainte dans le secteur des jauges est plus grande que la valeur des contraintes entre les deux points de fixation.

La figure 3 montre le corps d’épreuve de l’extensomètre SLB. La contrainte appliquée au capteur est portée sur la zone où les jauges de contrainte ont été installées. La raison : à cet endroit, la rigidité a été sensiblement réduite. L'augmentation excessive approximative de la contrainte peut être calculée comme suit :

Où:

εSGContrainte actuelle sous la jauge
εObjectContrainte entre les fixations vissées
lStrain sensorDistance entre les fixations vissées
lStrain zoneLongueur de la zone d'affaiblissement structural

Cette vue comporte quelques idéalisations.

On suppose que la zone d’application des contraintes est libre de contrainte.  Naturellement, ce n'est pas vrai - à proprement parlé. Il devient évident que la sensibilité du capteur peut être ajustée au moyen du rapport entre la longueur de la zone et de la distance entre les deux zones de fixation. En principe, une sensibilité très élevée peut être atteinte, cependant, dans l'utilisation pratique, un signal de sortie de 1.5 mV/V à 500 µm/m est favorablement démontré. Ceci a comme conséquence une augmentation de la sensibilité de 230 % comparé à pont complet de jauges comme décrit ci-dessus.

La dilatation en température des composants a été compensée en prenant des mesures avec des circuits appropriés.

Maintenant, des extensomètres avec une électronique intégrée sont disponibles et peuvent être calibrés dans l'application, fournissant ainsi une chaîne de mesure extrêmement efficace.

Les capteurs sans électronique ont une résistance de pont élevée de 700 Ω. Cela permet à plusieurs capteurs d’être reliés en parallèle sans exiger pour cela un courant élevé de la part de l’amplificateur.

Ce type d’installation permet de compenser les effets de contrainte en les supprimant. Ils sont employés par exemple, pour la surveillance des efforts sur une colonne de presse en mesurant les chargements en traction et compression.

Supposons que deux extensomètres soient reliés en parallèle et montés en vis-à-vis à la même hauteur sur une colonne. Sous une charge avec de la flexion, un capteur subira une contrainte dans un sens, le second sera chargé dans l’autre sens et de la même valeur. Sur l’ensemble des deux capteurs, seulement la valeur de contrainte résultant du chargement en traction ou en compression est mesurée. La flexion est donc ainsi compensée.

Les extensomètres SLB de HBM peuvent être montés sur des structures à l'aide des 4 vis M6. Cela exige seulement une surface plate, libérée de la peinture ou autres enduits. Pour le vissage, il faut respecter un couple de serrage et nous recommandons d'appliquer une protection contre la corrosion, par exemple en utilisant le produit ABM75. Le capteur est alors immédiatement opérationnel.

Rondelles de force pour mesurer les forces

Fig. 5: Rondelles de force CFW piézoélectriques disponible de 20 à 700 kN. Ici: 330 et 700 kN
Fig. 4: Rondelle de force KMR, petites dimmensions, portée nominale 20 kN e
Fig. 6: Pour la surveillance, une rondelle de force est installée sous une vis

Les rondelles de force peuvent être basées sur la jauge de contrainte ou la technologie piézoélectrique. Indépendamment du principe choisi :

Les rondelles de force peuvent être employées sur des boulons ou des vis. Par conséquent, le diamètre intérieur des rondelles de force est approprié aux diamètres extérieurs utilisés généralement pour les filetages métriques. Les fiches techniques des rondelles de force KMR spécifient également des dimensions en pouces.

La dérivation de la force résulte du boulon ou de la vis sur lesquels la rondelle de force a été installée comme élément de mesure et de ce fait réduit la sensibilité du système de mesure. Dans ce cas, une valeur approximativement de 10% doit être prévue.

En conséquence, les rondelles de force ne peuvent pas être étalonnées en usine; dans ce cas-ci, comme dans les deux autres méthodes décrites ci-dessus, l’étalonnage dans l’ensemble mécanique est toujours exigé.

Pour assurer une bonne reproductibilité, il est essentiel qu'une précontrainte soit appliquée sur la rondelle de force. L'importance de cette force dépend de la force nominale du capteur et de la force à mesurer, des moments de flexion les plus élevés peuvent agir sur une rondelle de force quand elle est chargée à 50 %. Dans le meilleur des cas, la précontrainte devrait être évaluée tels que la somme de la précontrainte de la force et la force de travail soit en moyenne de 50% de la force nominale de la rondelle de force. Cette recommandation s'applique aux  rondelles de force piézoélectriques en particular [3].

Les rondelles de force assurent un niveau important de protection et sont livrées prêtes pour être montées; à cet égard, elles offrent les mêmes avantages que les extensomètres. Les rondelles de force, aussi, fournissent une sensibilité suffisante même indépendamment de la force nominale avec les capteurs piézoélectriques.

La gamme des produits HBM comprend les rondelles pour les applications de force avec des capteurs basés sur les jauges de contrainte qui assurent une distribution uniforme des forces au-dessus de la circonférence entière. Si ces rondelles ne peuvent pas être employées, la surface de contact avec les capteurs doit être durcie (43 HRC) et rectifiée; l'inégalité de matériaux ne doit pas dépasser les 20 µm.

Chaînes de mesure d’étalonnage

Chacune des trois méthodes présentées a en commun le fait que la chaîne de mesure exige un étalonnage après installation. Ceci signifie que des mesures doivent être prises en deux points de force connus au moins. Le signal de sortie du capteur est alors assigné aux forces. Étant donné que le comportement des capteurs est linéaire dans des limites d’erreur étroitement définies et que ces méthodes ne peuvent pas être employées pour des mesures de haute précision, l’étalonnage en deux-points est suffisant en général.  

L'électronique intégrée de l’extensomètre suit cette ligne de raisonnement. L’ étalonnage exige seulement la mesure à la position zéro et une impulsion de commande envoyée à l'électronique. Quand la force maximum a été appliquée une autre impulsion de commande est exigée. Alors l'électronique est automatiquement ajustée. La mise à zéro est, naturellement, séparément possible, sans changer le facteur de gain.

La contrainte nulle correspond à 1 V, la contrainte maximum est convertie à 9 V, cependant, la plage de sortie est réglée de 0 à 10 V pour fournir une plage de mesure de 10 % pour la surcharge ou la contrainte négative. L'électronique permet également une entrée de contrainte négative à convertir en une tension de sortie positive. Les versions actuelles sont disponible en version 4… 20 mA.

Conclusions

Ce papier montre les diverses méthodes utiles qui sont disponibles pour mesurer des forces dans des ensembles mécaniques d'efforts. Toutes les méthodes ont un point commun, c'est qu’elles sont seulement marginales, le cas échéant qu’elles affectent le comportement mécanique de la structure dans son ensemble.

Cependant, les jauges de contraintes ou les capteurs de force basés sur la technologie piézoélectriques restent le premier choix, si une grande précision est essentiellement recherchée. Pour les raisons suivantes :

  • L’ajustement du capteur de force après l'installation n'est pas exigé, parce que les capteurs ont été déjà calibrés avec une grande précision. En mesurant les forces dans l’ensemble mécanique, l’étalonnage direct sur l'objet est toujours exigé.
  • L'incertitude de mesure des capteurs de force est connue et peut être influencée par le choix du modèle de capteur de force.
  • L'utilisation de capteurs de haute qualité (par exemple le S9M de HBM avec une précision de 0.02) permet d’atteindre une très grande précision qui ne peut pas être atteinte en mesurant dans l’ensemble de force.

References

[1]Karl Hoffmann, “Eine Einführung in die Technik des messens mit Dehnungsmessstreifen”, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, 1989
[2]Stephan Keil, “Beanspruchungsanalyse mit Dehnungsmessstreifen”, Genius Verlag, 1995
[3]T. Kleckers, „Piezoelektrische Kraftaufnehmer : 5 Regeln für Installation und Montage“, HBM Homepage, 2009

 

 

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