Capteurs piézoélectriques : Quel est le besoin de mon application ?

Le principe piézoélectrique fait que ces capteurs de force sont conçus avec des caractéristiques spécifiques propres différentes des capteurs à jauges de contrainte.

Les capteurs de force piézoélectriques sont constitués d’un cristal piézoélectrique qui produit une charge lorsqu’il est sollicité par une force de compression. Généralement nous avons deux couches avec une électrode insérée dans l'intervalle. Elle absorbe les charges qui en résultent. Le boitier environnant sert également d'électrode. Les exigences relatives à la qualité de surface du cristal et du boîtier sont très importantes et cruciales pour déterminer la qualité (linéarité, comportement de réponse) des capteurs de force.

La décision d'utiliser des capteurs de force piézoélectriques ou des capteurs à jauges de contrainte dépend de l'application. Les capteurs piézoélectriques sont préférables, en particulier lorsque l'application comporte l'une des conditions suivantes:

  • Espace confiné pour l'installation du capteur
  • Mesure de petites forces avec la charge initiale élevée
  • Large plage de mesure
  • Mesure à très haute température
  • Stabilité extrême aux surcharges
  • Dynamique élevée

Lorsque la décision d'utiliser un capteur piézoélectrique a été prise, il reste la question de savoir quel est le meilleur capteur de force pour vous. Dans ce qui suit, nous vous proposons de regarder de plus près les champs d'application typiques de ces capteurs et pour vous aider à choisir le bon capteur nous vous présentons un guide de sélection pratique.

Thomas Kleckers, HBM

Dans cet article, Thomas Kleckers, Responsable des capteurs de force chez HBM, explique comment choisir le bon capteur piézoélectrique adapté à votre application.

Les conditions d’application suivantes doivent vous orienter vers l’utilisation des capteurs piézoélectriques :

1. Installation du capteur dans un espace confiné

Les capteurs de force piézoélectriques peuvent être très compacts, par exemple la série CLP propose des hauteurs de 3 à 5 mm (selon la capacité de la rondelle de force). De tels capteurs sont donc parfaitement adaptés pour être à intégrés dans des structures existantes. Les capteurs sont équipés d'un câble attenant, car ils ne peuvent équipés d’un connecteur en raison de leur faible hauteur. Les capteurs sont disponibles pour toutes les tailles de vis standard de M3 à M14. La faible hauteur de construction exige que la force soit répartie aussi uniformément que possible sur la surface du capteur.

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2. Mesure de petites forces avec une charge initiale élevée

Les capteurs piézoélectriques produisent une charge électrique lorsqu'une force est appliquée. Cependant, le capteur peut être soumis à des forces qui vont au-delà de la mesure de la force réelle, par exemple lors de son installation. La charge résultante peut être court-circuitée, ce qui active le signal à l'entrée de l'amplificateur de charge à zéro. Cela permet de régler la plage de mesure en fonction de la force réelle à mesurer. La haute résolution de mesure est donc garantie, même si le rapport de la charge initiale à la force à mesurer est extrêmement défavorable. Les amplificateurs de charge de pointe tels que le CMD600 permettent un ajustement variable pratiquement continu de la plage de mesure et, par conséquent, supportent ces applications.

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3. Large plage de mesure

Les capteurs de force piézoélectriques démontrent également leurs points forts dans les process à multiples étapes. Imaginez un processus de pressage à plusieurs étapes ; tout d'abord, comme des forces élevées sont appliquées dans le process réel de pressage, la chaîne de mesure piézoélectrique est ajustée en conséquence. La deuxième étape implique le suivi de la force, c'est-à-dire la mesure de variations de force mineures. Dans cet exemple aussi, nous bénéficions de la caractéristique spéciale des capteurs piézoélectriques qui permet une élimination physique du signal à l'entrée de l'amplificateur de charge. L'entrée de l'amplificateur de charge est de nouveau remise à zéro et la plage de mesure peut être réglée pour garantir une haute résolution.

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4. Températures exceptionnellement élevées

Certaines applications nécessitent de mesurer une force à des températures très élevées. Dans ces applications, les capteurs de force à jauges de contrainte atteignent leurs limites physiques. Les rondelles de force piézoélectriques de la série CHW, ont été conçues précisément pour de telles applications et peuvent être utilisées pour mesurer jusqu'à 300°C.

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5. Grande stabilité aux surcharges

Tous les capteurs piézoélectriques, à quelques exceptions près, ont la même sensibilité. Cela signifie que le signal de sortie d'un capteur de force d’une capacité de 20 kN à une force donnée est égal au signal de sortie d'un capteur d'une capacité de 700 kN. Par conséquent, en termes de résolution et d'exactitude, peu importe lequel de ces deux capteurs est utilisé. La chaîne de mesure peut être configurée pour une force maximale et permet néanmoins de mesurer de petites forces.

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6. Dynamiques élevées

Les capteurs piézoélectriques ont de très petites déflexions et disposent d’une très grande rigidité. Ces caractéristiques font de ces capteurs un choix idéal pour les applications dynamiques. Cependant, toute la chaîne de mesure a une influence sur les propriétés dynamiques. La rigidité des pièces de montage et l'électronique associée doivent également être prises en compte. En général, les chaînes de mesure piézoélectriques sont parfaitement adaptées aux mesures hautement dynamiques de petites forces. D'autre part, les capteurs de force à jauges de contrainte, sont préconisés lorsqu'il s'agit de mesures dynamiques de grandes forces.

Quel est le bon capteur ?

Si l'un des aspects mentionnés ci-dessus correspond à votre application, vous avez besoin d'un capteur piézoélectrique pour mesurer votre force. Cependant, quel est le bon capteur ? Voici le guide de sélection que nous avons établi en fonction des cas typiques d'utilisation existants.


« Les rondelles de force piézoélectriques sont couramment employées. Puis-je aussi utiliser ce type de capteur dans mon application ? »

La plupart des utilisateurs préfèrent les rondelles de force piézoélectriques car elles peuvent être intégrées à l'objet ou à la machine sans avoir à effectuer d'importants changements mécaniques. Cependant, ces capteurs nécessitent toujours un montage avec une précontrainte, c'est-à-dire une charge initiale à appliquer à l'aide d’une vis ou d'un ensemble mécanique de précontrainte pour éviter tout dommage et de s’assurer une stabilité du moment de flexion suffisante. En outre, un étalonnage est nécessaire car l'installation du capteur est également décisive pour la sensibilité du point de mesure. Cela signifie que, après montage, la sensibilité du point de mesure doit être déterminée par étalonnage pour garantir des résultats de haute qualité.


« Je ne peux pas effectuer un étalonnage mais cependant je voudrais utiliser des capteurs piézoélectriques. »

Notre recommandation : Capteurs de force CFT

Les capteurs CFT répondent bien à cette demande car ils sont déjà précontraints et étalonnés, ils sont immédiatement prêts pour les mesures. Le capteur est livré avec un relevé d’essai qui spécifie sa sensibilité.


« Je veux un capteur qui peut être intégré facilement ? Toutefois, mon application requière une connexion avec connecteur. » / « Des charges ponctuelles peuvent se produire. » / « Je dois tenir compte des forces très élevées. »

Notre conseil : Rondelles de force compactes CFW

La hauteur de construction des rondelles de force CFW est relativement importante, ce qui signifie qu'il y a assez de matière entre la face d’introduction de la force et l'élément de mesure. Le CFW / 700 KN est le plus grand de la série, avec un diamètre interne de 36 mm. En conséquence, il est moins affecté par des conditions de montage défavorables. Les rondelles de force série CFW sont livrées avec une prise et offre ainsi une bonne flexibilité. Il est donc possible de raccorder des câbles de différentes longueurs au choix comme le câble KAB145, particulièrement robuste qui se connecte au boîtier du capteur avec un joint torique. Il est idéal pour une utilisation dans des environnements difficiles !


« Je dois mesurer une force à des températures extraordinairement élevées. »

Notre recommandation : Rondelles de force PACEline CHW

Ces rondelles de force de la série CHW ont été conçues pour un usage avec des températures extrêmement élevées. Le modèle CHW-2 peut être employé jusqu’à des températures de 200°C et le CHW-3 jusqu'à 300°C. Ces rondelles de force doivent également être étalonnées.  Leur sensibilité à basse température permet un étalonnage à température ambiante.


« Dans mon application l’espace disponible est une contrainte, la taille du capteur est un facteur décisif. »

Notre conseil : Rondelles de force miniatures CLP

La série CLP est parfaitement adaptée à de telles applications, car la hauteur de construction des capteurs n'est que de 3 à 5 mm, selon la portée nominale de la rondelle de force. Les capteurs sont équipés d'un câble attenant, car le montage d’une prise n’est pas possible en raison de la très faible hauteur du capteur. Les capteurs sont disponibles pour toutes les tailles de vis de M3 à M14. La faible hauteur exige que la force soit répartie aussi uniformément que possible sur la surface du capteur.


« Je ne peux pas accueillir une rondelle de force, un capteur à jauges de contrainte ou un capteur CFT qui nécessitent trop de place. »

Notre solution : Extensomètre piézoélectrique CST

Les extensomètres CST sont très petits et peuvent être fixés à l’aide d’une vis. Ils fonctionnent selon le principe suivant : Lorsque la force est appliquée à une structure, cela entraîne une déformation (contrainte) qui est souvent proportionnelle à la force appliquée. Le capteur mesure la déformation. Le CST peut être monté, par exemple, sur des pistolets de soudure ou des outils de presse. Il mesure de manière fiable la contrainte dans ces composants. Ces capteurs doivent également être étalonnés. Ils ont une sensibilité très élevée et peuvent donc être utilisés même sur des structures très rigides. La précision de mesure dépend en particulier du matériau sur lequel le capteur est monté.

Nous serions très heureux de vous conseiller

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