Une comparaison …


Différences entre les deux technologies. Les valeurs sont à titre d'exemple

Avec les capteurs à jauges, une déformation élastique de l'élément de mesure est tout d'abord convertie en une variation de résistance de la jauge, pour générer ensuite un signal de sortie électrique d'un circuit de pont de Wheatstone.

L'effet piézo-électrique repose sur le fait que les quartz génèrent, sous une charge en compression, une charge électrique directement proportionnelle à la force introduite. A l'aide d'un amplificateur, cette charge est ensuite convertie en une tension de sortie proportionnelle.


Fig. 1: Capteur à jauges avec circuit à pont


Les deux technologies se complètent parfaitement. D'un côté, les jauges atteignent une stabilité nettement meilleure lors de mesures longue durée ainsi qu'une linéarité plus élevée. Les capteurs piézo-électriques sont nettement plus compacts et sont idéals pour les applications dynamiques en raison de leur fréquence propre élevée.


Fig. 2: Principe du quartz du capteur piézo-électrique


Lors de la mesure, le déplacement des capteurs piézo-électriques est quasiment inexistant, car le quartz constitue déjà le composant mécatronique à signal de sortie électrique. La sensibilité de mesure d'un capteur piézo électrique ne dépend pas, en général, de sa taille ou du volume du quartz, mais uniquement du matériau utilisé et de sa géométrie.

 

Q = q11 · n · F

Q = charge électrique générée
q11 = constante matériau, par ex. 4.3 pC/N
n = nombre d'éléments en quartz branchés en série
F = sollicitation mécanique ou force

Avec les capteurs à jauges, la déformation élastique est utilisée en se basant sur la loi de Hooke, afin d'obtenir une variation de la résistance de la jauge. La corrélation suivante est valable pour la variation de résistance :

F = E · A · ε

ε = allongement de l'élément de mesure
E = module d'élasticité de l'élément de mesure
A = section de l'élément de mesure
F = sollicitation mécanique ou force

∆R / R = k · ε

∆R = variation de résistance en charge
R = résistance à vide
k = facteur k de la jauge

Une comparaison des systèmes à technologie piézo-électrique et à jauges présente une différence notable au niveau de la sensibilité :

Cas 1:
Capteur piézo 5 kN => caractéristique -4,3 pC/N
Capteur à jauge 5 kN => caractéristique 2 mV/V=> 0.4 µV/N

Cas 2:
Capteur piézo 140 kN => caractéristique -4,3 pC/N
Capteur à jauge 140 kN => caractéristique 2 mV/V=> 0.014 µV/N

Avec la technique de mesure piézo-électrique à caractéristique capteur, une vaste étendue de mesure est réalisable sans perte de précision et de résolution.

Au niveau de la stabilité à long terme, la technologie à jauges a des avantages, car avec la technologie de mesure piézo-électrique, une configuration de mesure avec une résistance d'isolement infinie n'est quasiment pas réalisable. Il en résulte donc souvent dans la pratique une dérive d'environ 1 N/min. C'est la raison pour laquelle la mesure doit être limitée à quelques minutes, suivant les exigences au niveau de la tâche de mesure. Pour une étendue de mesure de 50 kN avec un signal de charge de 215000 pC, soit une sensitivité de 4,3 pC/N et une dérive de <0,05 % exigée, la durée de mesure maximale obtenue est d'environ 25 min.

Le circuit à pont complet avec les capteurs à jauges permet d'obtenir une linéarité excellente et la compensation d'autres influences perturbatrices, telles que les variations de température, ce qui le prédestine en tant que capteur de référence par exemple, également pour les tâches de mesure haute précision à charges partielles.

En présence d'espace réduit et en situation de montage restreinte, le capteur piézo-électrique a, à son tour, des atouts. A étendue de mesure identique et caractéristiques de puissance comparables, le capteur piézo-électrique est 30 fois plus compact qu'un capteur à jauges similaire.


Fig. 3: Chaîne de mesure piézo avec contrôleur de process MP85A-FASTpress


Ces deux technologies de capteurs, tant à jauges que piézo-électrique, ont leur place dans la technique de mesure de grandeurs mécaniques. Là où les performances de la jauge arrivent à leur limite, la piézo-électricité entre en jeu et inversement. Comme HBM propose toujours la solution de technique de mesure optimale, la technique de mesure piézo-électrique est venue compléter sa gamme.

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