Capteurs de force piézoélectriques : Le principe est simple - les possibilités sont infinies

Il existe différents types de capteurs de force. Les modèles les plus courants sont basés sur la technologie des jauges de contrainte, que nous avons déjà présentées ici. Cet article s'intéresse à une autre technologie utilisée pour mesurer les forces : les capteurs de force piézoélectriques. Pour rédiger cet article, Thomas Kleckers a bien voulu nous expliquer comment fonctionnaient les capteurs piézoélectriques. Il est Product Manager pour les capteurs de force chez HBM, et est titulaire d'un diplôme en Génie physique. D’après Thomas Kleckers: « le principe est simple - les possibilités sont infinies ».

Le cristal piézoélectrique

Pour comprendre comment fonctionne un capteur de force piézoélectrique, nous devons d'abord l'examiner de l'intérieur. Nous trouverons toujours un cristal piézoélectrique, comme le quartz, au cœur du capteur. Les matériaux piézoélectriques sont des matériaux qui produisent une charge mécanique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique. Le principe est très simple : la charge électrique obtenue est proportionnelle à la contrainte mécanique appliquée. Un amplificateur de charge peut convertir cette charge en un signal de 0…10 V facile à mesurer. En fin de compte, la tension de sortie est proportionnelle à la contrainte mécanique.

Conception et méthode de fonctionnement des capteurs de force piézoélectriques

Le rapport entre la contrainte mécanique appliquée au cristal et le changement de charge est proportionnel. En d'autres termes, plus la contrainte est forte, plus la charge est élevée. Le principe est exploité dans la technologie de mesure de force piézoélectrique. Pour que le cristal devienne un capteur, une condition supplémentaire est requise. « Le signal de sortie ne dépend pas de la taille du capteur, et il s'agit d'un avantage considérable », affirme Thomas Kleckers.

En règle générale, un capteur se compose de deux éléments cristallins. Une électrode, située entre ces cristaux, capte la charge sur la face interne des cristaux. Un câble connecte l'électrode à l'amplificateur de charge. De plus, les disques en cristal sont intégrés dans un boîtier métallique qui protège non seulement les cristaux mais constitue également un second point de contact avec eux, étant donné qu'elle est connectée à l'amplificateur de charge via le blindage du câble.

« Il est essentiel d'avoir un excellent contact entre les cristaux et l'électrode, et entre les cristaux et le boîtier. Par conséquent, les matériaux doivent présenter des surfaces planes, précises et qualitatives, ainsi qu'une rugosité à peine mesurable. Un transfert correct de la charge électrique n'est possible qu'à condition que les surfaces aient un excellent contact. » Thomas Kleckers

Propriétés des capteurs piézoélectriques

La spécificité des capteurs de force piézoélectriques est leur capacité à couvrir des plages de mesure très larges. Autrement dit, le même capteur peut être utilisé pour mesurer des forces à la fois très faibles et très fortes. Les capteurs de force piézoélectriques sont donc très flexibles - et sont disponibles en taille miniature de quelques millimètres d'épaisseur à peine. Leur déformation sous charge est négligeable en raison de leur grande rigidité. Par conséquent, le capteur a une influence exceptionnellement faible sur la structure dans laquelle il est intégré.

D'un autre côté, les capteurs ont tendance à dériver : « La charge trouve toujours une manière ou une autre de s'équilibrer, » déclare Thomas Kleckers. Pour cette raison, la différence de charge requise pour la mesure ne peut pas être maintenue indéfiniment. On peut supposer qu'une dérive de 10 N/min maximum sera observée. Une fois la chaîne de mesure rompue, ce chiffre diminue fortement en cours de fonctionnement. Il reste toutefois identique indépendamment de la force mesurée. Cela signifie que la dérive a un impact plus important si vous mesurez des forces faibles sur une longue période que si vous mesurez des forces élevées ou si vous utilisez des temps de mesure courts.

Applications des capteurs de force piézoélectriques

Les capteurs de force piézoélectriques peuvent être ou non précontraints, en fonction de l'application prévue. Les capteurs précontraints sont étalonnés et peuvent être utilisés immédiatement après installation. Les rondelles de charge doivent toujours être précontraintes durant l'assemblage, généralement au moyen de vis ou d'axes dynamométriques. Cela produit le meilleur contact possible entre les différentes surfaces des matériaux, ce qui permet le transfert de la charge. Cependant, ces composants additionnels peuvent altérer la sensibilité du point de mesure, qui doit par conséquent être ajusté, ou étalonné, après le processus de précontrainte.

« Les petits capteurs piézoélectriques, en particulier, sont souvent intégrés a posteriori dans des systèmes existants. Les dimensions ne constituent donc généralement pas un problème mais il est impossible d'échapper à l'étalonnage. » Thomas Kleckers

Il est important de s'assurer que le capteur fournit des résultats corrects dans son environnement d'installation spécifique et dans toutes les conditions ambiantes existantes. Les capteurs de force piézoélectriques sont particulièrement avantageux dans les processus cycliques, comme l'explique Thomas Kleckers. La connexion de deux composants avec une force définie, comme dans le cas du rivetage, en est un parfait exemple. Le capteur et l'amplificateur de charge mesurent la force caractéristique du procédé de rivetage, permettant un contrôle de qualité extrêmement efficace. Après la mesure, une réinitialisation est lancée et le capteur est remis à zéro. Arrive alors le deuxième rivet. La dérive n'a aucune influence, quelle qu'elle soit, sur le résultat, étant donné que le temps de mesure est court. Thomas Kleckers nous explique qu'il trouve leur utilisation dans les presses particulièrement remarquable. « Une presse emboutit avec une force de 50 tonnes, soit 500 kilonewtons. Lorsque le processus se stabilise, quelques réajustements précis doivent être effectués. Nous parlons ici d'environ 100 newtons. Une « RÉINITIALISATION » a lieu entre la première et la deuxième étape, afin que la force puisse être mesurée en haute résolution au cours de l'étape deux. De cette manière, la large plage de mesure des capteurs de force piézoélectriques est pleinement exploitée. »

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