Capteurs de force à jauges de contrainte

Mode de fonctionnement

Pour expliquer comment fonctionne un capteur de force nous devons tout d'abord répondre à cette question : Comment travaille une jauge de contrainte ? La plupart des capteurs de force sont équipés de jauges de contrainte.

Prenons un peu de temps pour porter un regard plus attentif sur les jauges de contrainte : Une jauge est un support spécifique renfermant une grille de mesure conductrice. Quand la jauge est étirée, la grille de mesure s’allonge. Quand la jauge est comprimée, la grille se rétracte. Ceci a pour conséquence un changement de résistance dans les filaments de la grille et à partir de cela nous pouvons en déterminer la contrainte. Lorsque la grille s’allonge la résistance  augmente alors que la résistance diminue quand la grille se rétracte.

Pour construire un capteur de force, en plus des jauges de contrainte, nous avons besoin d’un corps d’épreuve; généralement en acier. La jauge de contrainte à savoir son support de grille, rappelez – vous, est collée sur ce corps d’épreuve.

Il existe des formes bien différentes pour les corps d’épreuve, la simple étant un cylindre en acier qui s’allonge ou se rétrécit sous l’influence de la force. Dans cet article, nous ne parlerons pas des autres forces, comme celles agissant sur le côté. La force appliquée sur l'acier génère une déformation amenant une contrainte. Et la contrainte peut également signifier une compression, parce que d'un point de vue de physique, c'est une contrainte négative.

Dans cet article, Thomas Kleckers, Product Manager – Capteurs de Force chez HBM, nous explique comment fonctionne un capteur de force.

"Quand le capteur est étiré, nous n’avons pas simplement un allongement des choses mais aussi un amincissement. C’est le coefficient de Poisson qui indique le rapport du transversal par rapport à contrainte axiale. Nous pouvons comparer cela à une bande élastique, qui devient sensiblement plus mince quand elle est étirée." – Thomas Kleckers

Si une jauge de contrainte est comprimée, sa résistance (Ω) diminue. Si elle est étirée, la résistance augmente.
Si le capteur est comprimé, son impédance (Ω) diminue, s'il est étiré, elle augmente.
Ici, nous avons la représentation d’un montage de jauges en pont de Wheatstone : quatre jauges sont reliées entre-elles».

Si le cylindre en acier est comprimé, il raccourcit tout en s’élargissant. Quand il est tiré en en plus de s’allonger il s’amincit. L’importance de ces changements dépend de la masse même de l'acier. Il est évident que si le corps d’épreuve est une masse importante il va falloir des forces plus élevées pour pouvoir le comprimer comme une masse plus fine. Cette notion est essentielle lorsqu’on construit des capteurs de force pour différents objectifs de mesure : pour de faibles forces nominales on utilise des petits capteurs à l’inverse pour des forces plus grandes les capteurs seront plus gros. C’est pourquoi la caractéristique force nominale définit la charge maximum prévue pour le capteur.

Revenons si vous le voulez bien sur la jauge de contrainte. Un capteur de force contient généralement quatre jauges, reliés entre-elles dans un montage que l’on nomme pont de Wheatstone, que nous n'allons pas expliquer plus en détail ici (pour en savoir plus veuillez-vous reporter à l'ouvrage de référence 'An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges'). Ce qui est très important est que les jauges soient correctement collées sur le corps d’épreuve afin de subir les mêmes déformations que lui. Quand l'acier se déforme, la résistance de la jauge de contrainte varie, comme mentionnée ci-dessus. Ainsi, le signal de sortie du pont de jauges délivre des informations sur l’importance de cette déformation. À partir de là, nous pouvons calculer la force agissant sur les jauges. C'est ainsi que le capteur de force fonctionne.

D'un point de vue mathématique, il est intéressant de voir que le capteur de force fonctionne seulement selon le principe de rapports linéaires. Par conséquent, la force est proportionnelle à l'effort mécanique (σ). Ce σ est proportionnel à la contrainte. Le changement relatif de  résistance dépend proportionnellement de la contrainte. En conclusion, le signal de sortie du pont de Wheatstone est linéairement proportionnel à la variation relative de la résistance des jauges.

Quelle est réellement la différence entre un capteur de force et un capteur de pesage ?

En principe, ils sont tous les deux vraiment similaires : le capteur de pesage mesure bien évidemment la masse ou le poids (kg) et le capteur de force mesure un effort (N). Ce qui est sûr, c’est qu’ils sont presque interchangeables ? Il suffit de se rappeler que 100 grammes équivaut à un Newton et vous pouvez transformer un capteur de force en capteur de pesage !

Mais ce n'est pas si simple.

Première différence :

Le capteur de pesage mesure une masse et seulement dans une direction, parce que la masse est toujours plus grande que 0. Si un récipient est placé sur un capteur de pesage, celui-ci ne peut pas soudainement se soulever vers le haut et produire un poids négatif. Le capteur de force, d'une part, mesure des forces négatives de compression et de forces positives de traction.

Deuxième différence :

Le capteur de pesage est fabriqué puis installé quelque part dans l'usine de l'utilisateur sans être démonté par la suite et étalonné sur place. Les capteurs de force sont étalonnés en usine juste après leur fabrication. Ils doivent toujours indiquer la même chose, même s’ils sont installés et démontés plusieurs fois. Le capteur de force doit donc avoir une construction plus robuste que la plupart des capteurs de pesage, de manière à garantir la reproductibilité des valeurs mesurées dans des conditions variables.

Troisième différence :

Le capteur de pesage doit satisfaire certaines exigences légales, concernant le pesage commercial, par exemple. Le capteur de force doit répondre à différentes normes ou réglementations, telles que les normes VDI 2635 ou OIN 376. À la différence du capteur de pesage, la reproductibilité mentionnée ci-dessus, par exemple, est un facteur important.

Capteur de force U10M
Capteur de pesage en flexion Z6

Champs d'application

"Les capteurs de force sont utilisés pratiquement partout, c’est inimaginable. J'ai été  particulièrement impressionné par une utilisation sur banc d'essai dans lequel une force a été mesurée à travers un entrefer. En d'autres termes, la mesure a lieu bien que le capteur de force ne touchait pas la plateforme. Je trouve toujours aujourd'hui incroyable que cela fonctionne réellement" - Thomas Kleckers

Pour conclure, nous jetterons un coup d'oeil aux business avec quelques centres d’intérêt où sont employés ces capteurs de force.

  • Tests d’objets pour déterminer combien de force agissent sur eux. Exemple : Mesurer un impact sur un casque de moto, comme lors d’un accident.
  • Mesures de référence pour faire des inter-comparaisons nationales et internationales entre des valeurs mesurées. Dans ce cas, les instituts métrologiques à travers le monde utilisent particulièrement des capteurs de force extrêmement précis rattachés aux systèmes d’essai. Ces instituts assurent alors des valeurs de référence rattachés aux étalons nationaux.
  • Mesures sur bancs d'essai, les capteurs de force permettent de piloter une charge précise définie sur une structure par exemple : par exemple quand une aile d'avion est poussée à l'aide d'un vérin pour simuler une condition de vol réel.
  • Machines et Systèmes industriels ont besoin de capteurs de force, par exemple dans les presses, les chaînes de montage ou les tests de fin de ligne. Exemple : avec quelle force un chapeau de stylo doit-il être enfoncé pour pouvoir rester en place ?
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