Ce qu’il vous faut retenir

1. Capteurs équipés de jauges de contrainte

Les capteurs de force construits sur la technologie des jauges de contrainte sont couramment employés en mesure et fonctionnent parfaitement même dans des conditions difficiles. L'aspect montage mécanique est traité dans un autre article intitulé « Installation des capteurs de force ». Dans celui-ci, nous parlons uniquement du raccordement électrique du capteur.

Les capteurs, équipés de jauges de contrainte, travaille selon le principe du pont de Wheatstone. Ce montage en pont complet se comporte comme quatre résistances reliées ensemble. Le descriptif vous est détaillé ci-dessous :

Il est essentiel que le pont de jauge du capteur soit alimenté avec une tension d'alimentation (UB) appropriée.

Cette tension UB nécessaire pour alimenter le capteur est fournie par l’amplificateur de mesure associé au capteur. Les valeurs classiques d'alimentation se situent entre 2.5 V et 10 V. La valeur appropriée à votre capteur peut être trouvée dans sa fiche technique à la ligne « Plage de tension d’alimentation ».

Le schéma ci-dessus représente le circuit électrique d'un pont de jauge et montre bien que quatre fils suffisent pour faire fonctionner le pont de Wheatstone. Deux fils alimentent le capteur et les deux autres fils délivrent le signal de mesure à l’amplificateur.

INFORMATION :

La tension d'alimentation de référence est la tension d'alimentation sous laquelle les capteurs ont été testés pour déterminer leurs caractéristiques techniques.

La plage de tension de fonctionnement définit les tensions d'alimentation sous lesquelles votre capteur de force peut travailler tout en maintenant les caractéristiques techniques.

Si la tension d'alimentation dépasse la limite spécifiée, les jauges de contrainte et autres résistances interne au capteur vont fortement s’échauffer. Dans ce cas, les différents paramètres (sensibilité, coefficient de température sur la sensibilité) vont alors varier. Lorsque que la plage de tension de fonctionnement n'est pas dépassée, les faibles variations peuvent être négligées quand il s’agit d’applications expérimentales et en production.

La limite inférieure de la plage de tension d'alimentation résulte de données expérimentales, bien évidemment des essais avec une tension « nulle » ne peuvent pas être réalisés.

Pour des mesures de haute précision (dans le cas d’une chaîne de mesure de référence), il est généralement recommandé de choisir la tension d'alimentation indiquée dans le certificat d’étalonnage livré avec le capteur. Il est aussi recommandé d'étalonner la chaîne de mesure complète, capteur et électronique.

2. Quelle est la valeur exacte de la tension de sortie du capteur ?

La sensibilité nominale exacte d'un capteur peut être trouvée dans le protocole d'essai du capteur. Dans la plupart des cas, cette sensibilité est ajustée à 2 mV/V, pour la charge nominale appliquée.

Comme déjà mentionné ci-dessus, les systèmes d'amplification alimentent le pont de jauges sous une tension. Cette tension est souvent de 5 V. Si la sensibilité nominale de votre capteur de force est de 2 mV/V, cela signifie qu’en sortie le capteur délivre un signal de 10 mV lorsqu’il est chargé à pleine charge. Ce signal est envoyé à l’entrée de l’amplificateur. Par exemple, si vous utilisez le capteur de force S2M/100 N  qui dispose donc d'une charge nominale de 100 N et d'une sensibilité de 2 mV/V et que vous le chargez à 100 N vous obtiendrez un signal de sortie de 10 mV.

Mais généralement, la valeur à mesurer n'est pas toujours la charge nominale par exemple nos 100 N. Dans ce cas, il faut donc pouvoir mesurer de petites valeurs. Si vous voulez mesurer une valeur de 0.1 N cela est possible car vous disposez d’une résolution de l’ordre de 10 µV à l'étage d'entrée.

Si votre amplificateur a une résolution de 100 000 points, ce qui est encore moins que ce qu'un instrument de haute précision comme le DMP41 de HBM peut offrir, vous obtenez l’équivalent de l’épaisseur d’un disque CD par rapport à la hauteur de la Tour Eiffel (321 m). Ceci est une image parlante pour vous montrer à quel point un capteur est précis.

Pour des mesures complexes, les exigences sont sensiblement plus élevées. Mais plus votre raccordement correspond à votre application de mesure, meilleurs et plus fiables seront les résultats de mesure.

3. Capteurs câblés en quatre fils

La technologie de mesure du pont de Wheatstone requière au minimum quatre fils pour être raccordée sur amplificateur. De nombreux capteurs fonctionnent selon ce principe, que l'on nomme "montage quatre fils". Cette configuration est présentée ci-dessous.

Dans les fils constituant la diagonale alimentation, des résistances sont représentées. Ces résistances sont là pour vous indiquer que la résistance de ces fils ne doit pas être négligée.

INFORMATION :

Un capteur de force est raccordé en quatre fils. Les paramètres suivants sont donnés :

  • Impédance du pont : 350 Ω
  • Câble de cuivre : section de 0.14 mm² 
  • Spécification Résistance : ρ = 0.0178 Ω⋅mm²/m

Ceci permet de calculer la résistance du câble de cuivre :
La résistance du fil est respectivement de 1,272 ohms pour un câble de 5 m (fils alimentation et fils mesure) et de 12,72 ohms pour un de 50 m.

Le pont de mesure et les fils constituent un réducteur de tension, qui génère donc une chute partielle de la tension dans le câble. Par conséquent, la tension appliqué en entrée capteur est quelque peu réduite, ainsi le signal de sortie se trouve aussi réduit. Cela se traduit par une perte de sensibilité.

Cette perte de sensibilité est de 0,36% pour le câble de 5 m et passe à 3,6% pour celui de 50 m. Ces variations sont prises en considération dans l'opération d'étalonnage, la sensibilité réelle tenant compte de la longueur du câble est spécifiée dans le certificat. 

La résistance du câble en cuivre dépend de la température. La résistance croît avec l'augmentation de la température, alors la tension à l'entrée du capteur diminue. Ce phénomène est aussi pris en compte lors de l'étalonnage du capteur, même pour ceux disponibles avec différentes longueurs de câble. 

Les capteurs de force HBM en liaison quatre fils sont toujours étalonnés avec leur câble, cela signifie que la sensitibilité donnée est correcte aux extrémité du câble. Il ne faut donc pas couper ce câble, cela aurait pour effet un changement de la sensibilité. Nous vous recommandons de garder la longueur d'origine pour ne pas détruire les résultats d'étalonnage.

Il faut utiliser la valeur indiquée dans le certificat d'essais.

Le rapport d'essai fournit plusieurs informations. La sensibilité est une valeur importante qui vous permet de régler votre amplificateur. Ici l'exemple d'un capteur de force U93/1kN

Les câbles de rallonge jusqu'à l'amplificateur n'ont pas besoin d'être pris en compte. Puisque les amplificateurs modernes utilisent des étages d'entrées haute impédance, la variation de tension est alors négligeable.

4. Capteurs câblés en six fils

Beaucoup de capteurs utilisent le montage six fils. Ils utilisent deux fils supplémentaires sur la diagonale alimentation de manière à contrôler la tension aux bornes du capteur. Si la résistance du câble varie en raison d'un changement de température ou si la longueur de câble est différente, l'amplificateur compense en interne la chute de tension en ajustant la tension envoyée au capteur.

L'avantage de ce montage est que vous pouvez utiliser des câbles très longs (jusqu'à 500 m) sans affecter la sensibilité du capteur. Les variations de résistance des fils provoquées par les variations de température n'affectent pas le résultat de la mesure.

C'est particulièrement avantageux quand la température du câble et celle du capteur ne sont pas identiques.

INFORMATION :

Comme cela a été dit précédemment , la longueur de câble ne doit pas modifiée pour les capteurs en quatre fils. Si la longueur doit être augmentée, il est recommandé d'employer un câble six fils pour confectionner la rallonge. Dans ce cas, pour que l'amplificateur puisse agir selon le principe du six fils, il suffit de réaliser simplement deux pontets dans la connectique. 

5. Blindage

Sur les capteurs de force HBM, le blindage du câble est toujours relié au boitier. Les parasites et champs électromagnétiques sont sans aucune influence, la chaine de mesure complète : capteur, câble et amplificateur formant une cage de Faraday. Si les câbles du capteur doivent être prolongés, il faut relier le blindage du câble capteur au blindage du câble rallonge pour maintenir l’effet cage de Faraday. Relier le connecteur de telle sorte que le blindage soit mis en contact avec la prise.

Si le capteur et l'amplificateur ont différents potentiels, des courants compensateurs peuvent s’écouler par l'intermédiaire du blindage du câble ce qui occasionne la principale interférence. Idéalement, vous devrez établir une connexion basse résistance (ligne d'équipotentialité). Nous recommandons d'employer un câble avec une section transversale de 16 mm².

Si ce n'est pas possible techniquement, le blindage dans la prise peut être coupé. En tous cas, cela ne doit être que la solution « deuxième choix ».

HBM offre un large éventail de câbles de mesure qui ont tous démontré leur aptitude. Diverses exigences peuvent être demandées à un câble de mesure, en autre : basse capacité, stabilité en température, bonne symétrie.

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