Bien choisir entre capteurs de force piézoélectriques ou à jauges de contrainte?

Deux technologies de capteurs prédominent dans le domaine de la mesure des forces : les capteurs piézoélectriques et les capteurs à jauges de contrainte. Quand utiliser l’une ou l’autre ?

1. Principes techniques de base

Les capteurs construits sur le principe des jauges de contrainte sont toujours constitués d’un corps d’épreuve agissant comme un ressort sur lequel la force est appliquée. Cette force génère une faible déformation du corps d’épreuve. Les jauges de contrainte sont installées dans les zones propices à la déformation. Sous l’action de la charge, elles subissent un allongement et enregistrent alors une variation de résistance. Au minimum, quatre jauges de contrainte suffisent pour constituer le montage appelé pont de Wheatstone. Le pont de mesure est alimenté sous une tension et la tension de sortie résultante est proportionnelle à la force appliquée.

Principe de fonctionnement d'un capteur à jauges de contrainte. Les dimensions du corps d'épreuve déterminent la capacité nominale.

Les capteurs piézoélectriques se composent d’une électrode disposée entre deux disques de cristal. Une fois la charge appliquée sur le capteur, une charge électrique se produit etpeut être alors mesurée à l'aide d'un amplificateur de charge. La charge électrique est proportionnelle à la force appliquée.

Concept d'un capteur piézoélectrique. Les disques de cristal convertissent la force appliquée en une charge prise par l'électrode disposée entre les deux disques.

2. Quel principe pour quelle application ?

Surveillance statique

Les capteurs à jauges de contrainte se déforment faiblement et sont ainsi particulièrement appropriés aux opérations de surveillance de longue durée. Il est bon de savoir que la caractéristique de fluage, qui représente une variation du signal de sortie lors qu’une charge constante est appliquée, est extrêmement faible. Comme il est possible de réduire au minimum cette variation par un choix rigoureux de la disposition des jauges, les capteurs modernes HBM, comme le S2M, offrent des valeurs de fluage inférieur à 200 ppm de la valeur mesurée, une erreur somme toute négligeable dans de nombreuses applications.

De par leur principe de fonctionnement, les capteurs de force piézoélectriques ont une dérive estimée à 1 N/mn environ et l’on doit bien évidemment en tenir compte sur la chaine de mesure. Comme cette valeur ne change pas, quelle que soit la force mesurée, l'erreur de mesure relative due cette dérive est particulièrement défavorable surtout lorsque l’on doit mesurer de faibles forces sur une longue période.

Effect of the drift with small and large forces: When measuring 5000 N, a longer period of measurement is possible; with smaller forces the effect of the drift is significant. The following becomes obvious: The period of measurement depends on the require

Mesure de force dynamique

Lorsqu’ils sont soumis à une force, les capteurs piézoélectriques présentent une très faible déformation, ils disposent en effet d’une très grande raideur. En conséquence, ils possèdent une grandefréquence de résonance, ce qui en principe, est très avantageux dans les applications dynamiques. Au sujet de propriétés dynamiques, la chaîne de mesure entière est beaucoup plus concernée. Les pièces de montage employées pour l’installation des capteurs sont d’une grande importance, elles représentent une masse additionnelle, qui naturellement, a un impact sur la masse globale du système et influence sur la fréquence de coupure. De nombreux amplificateurs de charge ont une bande passante qui dépend de la charge électrique et donc de la force qui est mesurée. Les forces importantes génèrent des charges électriques élevés ce qui limitent la bande passante.

Les systèmes à jauges de contrainte permettent de travailler avec des fréquences de coupure plus élevées, ces capteurs doivent être utilisés lorsque des forces nominales importantes sont à mesurer. En principe, les capteurs de force de petites capacités ont des corps d’épreuve sensibles, leur fréquence de résonance est basse.

Dans tous les cas, il est important de se référer à la fiche technique des capteurs, en sachant que les capteurs piézoélectriques représentent le meilleur choix pour mesurer rapidement de faibles forces tandis que les capteurs à jauges sont nettement supérieurs lorsqu’il s’agit de mesurer des forces importantes.

Mesure pour étalonnage

Le montage utilisé pour raccorder les jauges de contrainte permet de compenser de très nombreux effets sources d’erreur. Ainsi il est possible de compenser les effets de la température sur le zéro et la sensibilité du capteur, d’agir sur la non linéarité ou l'effet du moment de flexion des capteurs. Les capteurs à jauges de contrainte permettent d’effectuer un étalonnage statique très précis. Pour améliorer la caractéristique de reproductibilité, il est même possible de concevoir au mieux les corps d’épreuve. En conséquence, les capteurs à jauges de contrainte sont les seuls à pouvoir être utilisés comme référence pour les étalonnages.

Mesure avec précontraintes élevées

Quand la force est appliquée, les capteurs piézoélectriques produisent une charge électrique qui peut être court-circuitée, si nécessaire. En entrée de l’amplificateur de charge, c’est comme la force était « nulle ». Par conséquence, la plage d’entrée de l’amplificateur de charge n'est pas affectée par des charges de précontrainte élevées. La technologie piézoélectrique permet de mesurer avec une résolution maximale même avec des conditions défavorables.

En environnement sévère

Certains capteurs à jauges offrent un très bon niveau de protection IP68 (S9M, U10M avec l'option câble attenant). Les boitiers sont hermétiquement scellés et protègent ainsi les jauges de contrainte. Ces capteurs peuvent donc travailler dans des environnements extrêmement difficiles.

Pour les capteurs piézoélectriques, des câbles sont disponibles avec un joint spécial pour assurer le côté hermétique du raccordement dans le capteur et de garantir ainsi une grande sûreté de fonctionnement. (réf du câble : KAB145-3)

Mesure avec une grande précision

Les capteurs de force modernes offrent une très grande précision; en particulier, ceux équipés de jauge de contrainte qui offrent un excellent niveau en termes d’erreurs (< à 200 ppm). Les capteurs piézoélectriques ont une erreur de linéarité légèrement plus élevée, en général 0.5% par rapport à la pleine échelle. Ils sont également limités par leur grande dérive. Pour obtenir une exactitude sensiblement plus grande, il est possible d’étalonner le capteur dans la plage de mesure dans laquelle les mesures doivent se faire.

Espace restreint pour le capteur

Les capteurs de force piézoélectriques peuvent être très compacts, comme la série CLP, avec des hauteurs inférieur à 4 mm. Ces capteurs sont la meilleure solution quand il s’agit de les intégrer dans des systèmes existants. Dans ce cas, un compromis est fait en termes de précision lorsqu’il est nécessaire de répondre à ce type d’exigence où l’encombrement est restreint et que des capteurs de petites dimensions sont recherchés.