Dans de nombreuses applications pratiques, il existe fréquemment une situation bien particulière qui consiste à mesurer des forces très petites sur un capteur de force soumis au départ à une charge importante. La force à mesurer se superpose à celle de la précontrainte.
Exemples d'application typiques :
- Des rondelles de force sont précontraintes sous des boulons mais elles doivent enregistrer des forces extrêmement faibles.
- Des capteurs mis en place dans des structures subissent un effort considérable et doivent pouvoir détecter la plus petite variation de force par exemple dans le cadre d’une surveillance longue durée.
Dans cet article technique, nous vous présentons les avantages offerts par les capteurs piézoélectriques et les capteurs à jauges de contrainte au travers de quelques applications.
Avantages de la technologie piézoélectrique
Les capteurs de force piézoélectrique génèrent une charge électrique proportionnelle à la force appliquée. L’unité de mesure des charges électriques est le pC (10-12 Coulombs, ce qui est équivalent à 3.2 10-6 charges élémentaires).
Les rondelles de charge utilisant du quartz comme matériaux sensibles permettent de générer un signal de 4,3pc/N. Cela signifie que pour une application d’effort d’1 Newton, la charge électrique générée est de 4.3pC. Les rondelles de charge telles que le CFT/25kN utilise un matériau piézoélectrique de type Gallium-Phosphate. Ce matériau génère une charge électrique double du quartz. Pour le même effort, le signal de sortie est donc deux fois plus important. Cette charge électrique est acheminée par un câble haute impédance à l’amplificateur de charge qui convertit le signal issu de la rondelle en 0…10volts.
Un des avantages de cette technologie est donc de permettre la réalisation de capteurs d’étendues de mesure différentes mais ayant tous la même sensibilité. Une rondelle de charge de très grande capacité, peut donc être utilisée pour mesurer de petits efforts. Cette technologie permet également la réalisation d’une précontrainte avec remise à 0 du signal de charge, donc de bénéficier de la pleine échelle de l’amplificateur sans y inclure la pré-charge.
Dans ce cas de figure, l’amplificateur peut être réglé sur une étendue de mesure de travail qui est celle qui sera utilisée sans tenir compte de la pré-charge. La précontrainte est alors sans effet sur le signal de sortie.
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Capteur piézo-électrique fonctionnant sous une charge initiale: Une fois la charge initiale appliquée, une remise à zéro est effectuée sur l’appareil de mesure. L'amplificateur de charge peut fonctionner sur plage de mesure (plus petite) parfaitement ajustée.
Exemple:
Une rondelle de force est installée sous un boulon. Le but est de mesurer une force de tension agissant la vis. Au tout début la force de précontrainte est donc appliquée. Cette force de précontrainte peut également être déterminée en la mesurant à l’aide de rondelle elle-même. Le point zéro peut être exécuté en déclenchant un RESET sur l'amplificateur de charge. L'amplificateur de charge peut être réglé sur n'importe quelle gamme de mesure. Maintenant, même de très petites forces peuvent être mesurées correctement.
A noter :
- Ce type de mesure est tout particulièrement simple à faire en utilisant les amplificateurs de charge numériques modernes comme le CMD600, qui peut être réglé sur n’importe quelle plage de mesure.
- Dans l'exemple décrit ici, il s’agit d’une mesure de shunt de force. Un étalonnage sur place est exigé avant de pouvoir mesurer quantitativement les forces. Pour plus d'information voir notre article « Installation des capteurs de force ».
- Les rondelles de charge sont toujours sujettes à une dérive. Il est donc nécessaire de faire un zéro périodiquement ou d'utiliser un filtre passe-haut. Si aucune de ces options n'est disponible, il faut alors utiliser les capteurs à jauges de contrainte.
Avantages des capteurs à jauges de contrainte
Les capteurs à jauges de contrainte fonctionnent selon le principe suivant :
- Une force est appliquée sur un élément mécanique (corps d’épreuve) de sorte qu’il se déforme légèrement.
- Les jauges de contrainte sont collées sur ce corps d’épreuve à des endroits bien précis de manière à convertir la déformation en variation de résistance électrique.
- Avec un câblage adapté (montage en pont de Wheatstone) et une alimentation appropriée, ce changement de résistance peut finalement être converti en tension mesurable.
L'avantage des capteurs à jauges est qu'ils peuvent être étalonnés et être caractérisés sur différent paramètres, tels que la dérive en température du zéro et de la sensibilité, l'influence des moments de flexion et également la linéarité. Selon les exigences, une exactitude inégalée peut être atteinte avec cette technologie.
Le signal tension généré en sortie de ce genre de capteur de force dépend essentiellement de deux facteurs :
- L’« erreur relative du zéro » qui décrit le signal de sortie d'un capteur non chargé.
- La force appliquée sur le capteur est convertie en signal de sortie électrique comme décrit ci-dessus.
Si un équilibrage à zéro est exécuté dans le logiciel ou sur l’amplificateur de mesure, c'est toujours une addition ou une soustraction de ces deux tensions décrites ci-dessus. La tension de sortie du capteur demeure inchangée. La plage de mesure du capteur doit être choisie de façon à correspondre à la force qu’il doit supporter, forces de précontrainte et force à mesurer.
Dans l'exemple montré dans la photo, il s’agit de surveiller un câble d’acier qui soutient une ligne électrique, les variations de la force de tension sont très petites comparativement à l’effort de départ. Il est donc compréhensible qu’une très grande résolution est requise sur le signal de mesure. Les erreurs propres à la chaîne de mesure doivent être insignifiantes au regard la très faible plage de mesure effective.
Les paramètres d'influence, particulièrement ceux liés à la pleine échelle jouent un rôle important ici en termes d’incertitude de mesure. Pour en savoir plus à ce sujet, vous pouvez vous reporter à notre article « de grande précision est rendement élevé : Pourquoi en particulier les capteurs précis de force permettent des domaines de nouvelle application ». Un petit effet de la température sur le point zéro, une faible erreur de linéarité et un léger fluage peuvent devenir très importants sur l’obtention de résultats fiables. À la différence d’une mesure de forces très petites à l'aide d’un capteur ayant une portée nominale élevée, le coefficient de température sur la sensibilité est une donnée importante dans ce cas. Comme expliqué ci-dessus, le capteur chargé délivre en sortie une tension, même si elle n'est pas affichée puisque l’amplificateur a été mis à zéro. Si la sensibilité du capteur change avec l'effet de température, le signal de sortie variera proportionnellement.
A noter :
- Les capteurs de force, radialement symétriques et travaillant en cisaillement, sont très précis et particulièrement robustes. Ils ont démontré leur efficacité dans de nombre cas d’application, notamment lorsque les températures évoluent au cours des mesures. Ce genre de capteurs présente un faible fluage (250 ppm en 30mn) et très peu de dérive en température. La dérive en température sur le zéro du nouveau capteur force en compression C10 est de seulement 75 ppm/10°C. Le capteur U10M présente également d'excellentes valeurs de caractéristiques.
- Les capteurs en forme de S (S2M, S9M) mesurent de très petites forces. Ils fonctionnent avec une très grande précision. Toutefois, à la différence des capteurs en cisaillement, il y a des restrictions pour une utilisation en dynamique.
- Puisque les capteurs à jauges sont moins sujets à la dérive, il n'y a nécessairement besoin de la fonction RESTET ou d’utiliser des filtres passe-haut.
Conclusion
La mesure de forces très petites ou la mesure de variations faibles d’une force exigent des conditions élevées en termes d’exactitude.
La technologie piézoélectrique offre l'avantage de disposer d’amplificateurs de charge qui peuvent être choisis de sorte de pouvoir s’adapter exactement à la petite force à mesurer.
Les capteurs à jauges de contrainte offrent maintenant une très grande précision. Les effets d’un changement faible de température, les petites erreurs linéarité et l'absence exceptionnelle de dérive font de ce type de capteur un choix idéal pour tous les processus où la mise à zéro périodique ne peut être possible.