Les capteurs sont extrêmement importants dans le monde industriel moderne. Ils sont couramment utilisés pour mesurer de nombreuses grandeurs bien différentes dans des domaines aussi divers que les essais en laboratoire, les acquisitions de données sur site, les mesures en automation et les contrôles en assurance qualité. Le marché augmente sans cesse et rapidement (1) et différents principes de collecte d’informations sont de plus en plus utilisés.

Cette tendance momentanée vers un choix plus large de technologies peut mener à un plus grand enthousiasme pour des méthodes de mesure plus récentes ou bien naissantes. Mais il est tout aussi important de considérer la possibilité que les technologies reconnues peuvent avoir des avantages considérables grâce à leur grande expérience avérée sur de nombreuses années.

Par exemple, les jauges de contrainte à trame pelliculaire sont basées sur des principes scientifiques bien établis (2) (3) qui ont été perfectionnés par des progrès technologiques pour améliorer leur fonctionnement. En outre les jauges de contrainte à trame pelliculaire sont très simples à installer et à utiliser tout en étant d’un coût faible pour des solutions individuelles et uniques. Les avantages de ce type de jauges sont de loin supérieurs à leurs éventuels inconvénients.

Mesure avec jauges de contrainte à trame pelliculaire

Ces jauges de contrainte à grille de mesure métalliques sont employées couramment comme moyens pour mesurer une force, un couple et une pression. La grande majorité des capteurs de force, y compris les capteurs de pesage, les capteurs de couple et les capteurs haute pression sont construits sur ce principe et sont disponibles dans une large variété de corps d’épreuve.

Toutes ces jauges sont basées sur un principe commun ; elles utilisent l’effet d’une déformation positive ou négative pour convertir les changements mécaniques en signaux électriques. Cela est parfaitement effectué en utilisant les jauges selon le principe du pont de Wheatstone, la grandeur mécanique agit sur le capteur occasionnant des déformations sur la surface du corps d’épreuve. Les jauges de contrainte sont placées dans des secteurs à fort potentiel de contraintes élevées. Au minimum quatre jauges sont disposées de façon à ce que deux des jauges travaillent dans le sens positif et les deux autres en négatif, l’ensemble des jauges constituant le pont de Wheatstone, délivrant ainsi une tension proportionnelle à la déformation du corps d’épreuve.

Fig. 1. Jauges de contrainte raccordées en pont de Wheatstone pour délivrer une tension qui permet de mesurer facilement n'importe quelle déformation.

Le signal de sortie est donné sous forme d’un ratio entre la tension d’alimentation et la tension de sortie. On le calcule ainsi :

Pour déterminer les grandeurs mécaniques, les capteurs les plus précis sont à jauges de contrainte. En même temps, ils sont aussi le meilleur choix en termes d’incertitude de mesure.

Si en plus la notion de dynamique est également présente et essentielle, les zones de contrainte doivent être conçues aussi petites que possible pour garantir une grande rigidité (4)(5)(6).

Les principes de fonctionnement des jauges de contrainte résistives sont, aujourd’hui, très bien établis de sorte que toute l’attention peut être portée uniquement sur la partie mesure elle-même.

À la différence d’autres principes de mesure, les capteurs à jauges de contrainte peuvent être construits pour supporter des charges nominales élevées presque sans illimitation simplement en dimensionnant le corps d’épreuve. Nous pouvons citer, par exemple, les capteurs de force exprimés en MN, les capteurs de couple de plusieurs MNm et les capteurs haute pression de l’ordre du GPa (7)

Dans d’autres applications, comme les capteurs de pression mesurant une pression hydrostatique il y a un plus grand choix que dans le cas des grandeurs. Les applications basse pression, qui recouvrent la plus grande part du marché, utilisent habituellement des solutions capacitives ou piézorésistives  MEMS, particulièrement pour les mesures en basse pression de quelques bars.

La résistance aux surcharges est un point particulièrement important dans le cadre d’une mesure de pression. Cette caractéristique peut exclure effectivement les solutions capacitives et piézorésistives MEMS, malgré les progrès qui ont été fait sur les nouvelles conceptions ces dernières années.

La figure 2 présente une comparaison des différents types de technologies utilisées pour les capteurs de pression et leur convenance à partir d'un certain nombre de différentes perspectives.

Fig 2 : Comparaison de différentes technologies de mesure de pression (8)

L'examen de ce tableau montre que les capteurs très haute pression basés sur le principe des jauges de contrainte représentent le choix idéal pour les mesures où une très grande précision et une stabilité sur le long terme sont nécessaires. Ils sont particulièrement appropriés lorsque les résultats de mesure  doivent être comparés par les nombreux instituts nationaux de métrologie de différents pays  (9).

Il est possible de faire une analyse semblable des différents principes pour chaque autre grandeur mesurable. C'est la meilleure façon de faire lorsque l’on veut concevoir une chaîne de mesure complète et adaptée à sa campagne de mesure. En effet la prise d’information par le capteur est un élément important du processus de mesure ou des phénomènes étudiés.

Conclusion

Les capteurs de jauge de contrainte offrent une exactitude incroyable, une très grande stabilité à long terme et une excellente bande passante appropriée aux mesures rapides. Pendant la fabrication du capteur, de nombreuses erreurs connues peuvent être compensées par le jeu du principe même du pont de Wheatstone. Les capteurs construits avec des jauges de contrainte sont le meilleur choix qui soit pour les mesures en général mais particulièrement pour les applications industrielles et les mesures de très haute précision.

Les niveaux élevés d'exactitude facilitent la traçabilité des grandeurs mécaniques jusqu'au niveau national et international (10) (11) (12). Dans des applications plus traditionnelles, la simplicité et le faible coût des jauges de contrainte rendent leur utilisation incontestables sur des marchés porteurs comme celui des  capteurs de pesage avec des gammes très larges ou bien encore celui des ponts bascules pour camions.

Les développements futurs des jauges de contrainte pourraient mener à une utilisation dans un champs d’application beaucoup plus large ce qui aidera à la fois un meilleur développement industriel et l’explosion de marchés émergents.

References

[1] Survey “World Emerging Sensors Markets”, Sensors & Instrumentation, No. M678-01, Frost and Sullivan, 23 Mar 2011, U.S.A.

[2] A. C. Ruge “Strain response apparatus” Patent application no. 2322319 to the United States Patent Office; 16. Sept. 1939, approved 22. June1943

[3] K. Hoffmann “An Introduction to Measurements using Strain Gauges” Publisher Hottinger Baldwin Messtechnik , Darmstadt, Germany

[4] A. Schäfer, “Analogy observation of force transducers compared to strain and pressure transducers based on foil type strain gauges and the piezoelectric principle“, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[5] A. Schäfer, “Force, strain and pressure transducers based on Foil Type strain gauges as well as the piezoelectric principle for the use in industrial applications” Proceedings of “Eurosensors 2008”, Dresden, Germany, 2008

[6] T. Kleckers “Force sensors based on strain gages and piezoelectric crystal-based force transducers in mechatronic systems — a comparison” Proceedings of "Sensor+Test" Conference, Nurnberg, 2011

[7] A. Schäfer, et al. “A new type of transducer for accurate and dynamic pressure measurement up to 15000 bar  using foil type strain gauges”, XVII IMEKO World Congress 2003, Metrology in the 3rd Millennium, Dubrovnik, Croatia

[8] T. Kobata; W. Sabuga et al “Final Report on Supplementary Comparison APMP.M.P-S8 in Hydraulic Gauge Pressure from 100 MPa to 1000 MPa”, The Asia-Pacific Metrology Programme (APMP) and the European Association of National Metrology Institutes (EURAMET) 1000 MPa , Hydraulic pressure inter-laboratory comparation, 2010

[9] A. Schäfer “Answers to the need of higher orders of magnitude for pressure, force and torque measurement explained on the example of wind energy” IEEE I2MTC Conference, Mai 2012, Graz, Austria

[10] A. Schäfer, Examples and proposed solutions regarding the growing importance of calibration of high nominal forces IMEKO 2010 TC3, TC5 and TC22 Conferences, November 22-25, 2010, Pattaya, Chonburi, Thailand

[11] H. Gang, Z. Zhang and Y. Zhang „Internal Large Force Comparison in China”, Mechanics and Acoustics Division, National Institute of Metrology, Beijing, P. R. China, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, Tokyo, Japan, 2009

[12] P.D. Hohmann and A. Schäfer, “Combined Calibration of Torque and Force in a 3 in 1 Calibration unit”, “APMF 2000”, Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Measurement of Mass, Force and Torque, pp. 204, Tsukuba, Japan, 2000

Jauges de contraintes HBM

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