Avantages et Inconvénients de la mesure de force avec des jauges de contrainte (aussi appelées extensomètres)

1. Principe de fonctionnement, avantages et limites des jauges de contrainte

Les jauges de contrainte tels que le SLB de HBM, ont prouvé au fils des décennies leur qualité. Les jauges de contrainte (ou extensomètres) peuvent être facilement fixées aux structures existantes avec des vis. Les applications typiques concernes les presses, les machines à souder, les silos, parmi tant d'autres. Par exemple, lorsqu'une  presse est équipée de ce type de capteur, il en résulte une déformation dans le bâti de la presse qui est proportionnelle à la force de pression. Les jauges de contrainte convertissent cette déformation en un signal électrique mesurable qui permet d’en déduire la force, dans ce cas, la force exercée par la presse.

Les avantages des jauges de contrainte (ou extensomètres) sont clairs :

  • Une jauge de contrainte est disponible à un prix bien inférieur à celui d'un capteur de force;

  • Les jauges de contrainte n'ont aucun impact sur la rigidité du système. Par conséquent, les propriétés dynamiques de la machine ne sont pas affectées.

  • Les capteurs d’effort pour de très grandes forces nécessitent un espace supplémentaire. Cela signifie que la structure du système de mesure est modifiée, ce qui peut parfois poser un problème.

Cependant, les jauges de contrainte présentent également des inconvénients :

  • Les jauges de contrainte ne sont en aucun cas aussi précises que les capteurs de force. Ceci est un facteur crucial, car il y a une demande croissante pour une plus grande précision dans la production.

  • Les jauges de contrainte doivent être étalonnées après le montage. L'étalonnage signifie que la force exercée dans le processus doit d'abord être mesurée avec un capteur de force, tel que le   C6A . Il est ensuite comparé au signal de la jauge de contrainte, puis la déformation est convertie en force. L'étalonnage peut également être effectué en utilisant des poids connus. Dans ce cas, la précision n'est pas aussi bonne.

2. Jauge de contrainte (ou extensomètre) avec électronique intégrée

Les jauges de contrainte (ou extensomètres) sont souvent le premier choix lorsque la précision n'est pas la priorité absolue, et le budget du système de mesure est limité. Dans ce cas, la jauge de contrainte doit être complétée par une électronique d'amplification, un élément clé qui nécessite un investissement et un espace suffisant.

C'est pourquoi HBM a équipé la jauge de contrainte SLB - dédiées aux mesures simples - d'une électronique très efficace. Cette jauge de contrainte est disponible avec une sortie 4 ... 20 mA et une sortie 0 ... 10 V; le code additionnel "VA" (SLB700A/06VA), est ajouté à son nom.

Lorsque la connexion en parallèle de plusieurs jauges de contrainte n'est pas souhaitée, il est recommandé d'utiliser le SLBVA. Si une connexion en parallèle est absolument nécessaire, la jauge de contrainte passive SLB700A sans électronique intégrée sera le meilleur choix.

Connexion de jauges de contrainte (ou extensomètres) en parallèle

Dans de nombreuses applications, les phénoménes parasites liés à la flexion peuvent être facilement compensée en utilisant deux jauges de contrainte. Pour ce faire, les jauges de contrainte doivent être montés sur un composant symétrique, exactement à l'opposé l'un de l'autre, et connectés électriquement en parallèle. Les jauges de contrainte passives SLB700A conviennent à cet effet car, avec ces modèles, la résistance de sortie et la sensibilité ont été équilibrées. Un autre avantage est que les jauges de contrainte SLB ont une résistance d'entrée élevée de 1000 Ω. Même si quatre jauges sont connectés en parallèle, la résistance de l'amplificateur en pont est seulement de 250 Ω - une charge que la plupart des amplificateurs peuvent facilement fournir.

La décision d'utiliser une jauge de contrainte avec ou sans électronique intégrée dépend également des exigences imposées au conditionnement du signal.Il est conseillé de vérifier si les fonctions fournies par un amplificateur de mesure industriel sont nécessaires, telles que les algorithmes de filtrage, les commutateurs de valeur limite ou les voies de calcul.

Les jauges de contrainte avec amplificateur intégré sont le choix idéal lorsque la valeur mesurée doit être acquise sans connexion parallèle, que des fonctions mathématiques ne sont pas requises (ou implémentées dans un dispositif de commande) et qu'une solution bon marché soit souhaitée.

3. La méthode "Teach" de HBM: Signal de sortie maximal, quelle que soit l'application

Les jauges de contrainte conventionnelles avec un module amplificateur intégré ont un gain non réglable - par exemple, 500 μm / m correspondent à un signal de sortie de 10 V. Cependant, le signal de sortie maximum dépend de l'amplification donnée, qui ne peut pas être modifiée. Lorsque la jauge dans l'exemple mentionné ci-dessus est soumise à une contrainte de 200 μm / m, la tension de sortie résultante est de 4 V (500 μm / m = 10 V, en conséquence, 2 V pour 100 μm / m). En particulier, lorsque l'élément suivant dans la chaîne de mesure est un module qui a une faible résolution ou un bruit accru, par exemple, parce que les composants existants doivent être utilisés, les résultats sont souvent insatisfaisants.

Les capteurs de tension actifs SLBVA de HBM avec électronique d'amplification intégrée parviennent à contourner ce problème, car ils fournissent le signal de sortie maximum possible à tout moment, quel que soit le but recherché.

Ce type de jauges a un total de cinq entrées et sorties (version courant) ou six (version tension) :

ConnecteurSLB700A/06VA avec une sortie de tensionSLB700A/06VA avec une sortie de courantCouleur du fil
Supply voltageV01/17V01/17bleu
Supply voltageV01/17V01/17noir
Signal de sortieV01/17420-450 mAblanc
Signal de sortieV01/17Non utiliségris
Entrée de commande IN1 (balance zéro)  rouge
Entrée de commande IN2 (entrée 'Teach')  vert

 

Avec la version actuelle, le circuit de mesure est fermé via l'entrée 0 V de la tension d'alimentation (fil noir). Regardons maintenant l'entrée Teach2, IN2. Cette entrée permet d'ajuster la jauge de contrainte à pratiquement n'importe quelle plage de mesure. Pour ce faire, HBM a développé une méthode très pratique, dite "Teach" :

  • Tout d'abord, la jauge de contrainte est installée de la manière habituelle, et la charge sur la machine (presse, cage à rouleaux, silo) est ramené à zéro. Une impulsion prolongée (au moins + 10 V) sur l'entrée "Apprentissage" est suffisante pour que l'électronique enregistre le point zéro.

  • Ensuite, la charge maximale est appliquée et une autre impulsion COURTE (d'au moins 10 V, inférieure à une seconde) est envoyée à l'entrée "Teach". L'électronique est ensuite ajustée entre ces deux points.

Il est facile de voir que cette méthode permet d'utiliser pleinement la plage d'entrée du niveau suivant car la plage de sortie maximale est disponible, quel que soit le niveau de déformation.

4. Astuces sur la méthode "Teach"

Avec la méthode "Teach", il y a toujours une marge de 10% dans les parties supérieure et inférieure de la plage de mesure. Des signaux de déformation plus élevés, par exemple en cas de défaillance, sont amplifiés et transmis. L'électronique n'est donc pas réglée entre 0 et 10 V mais entre 1 et 9 V.

La courbe caractéristique, c'est-à-dire le rapport de la déformation sur le signal de sortie, peut également être négatif. La traction et la compression peuvent toutes les deux être converties en un signal positif. Par conséquent, il n’est pas nécessaire que le sens de travail soit pris en compte (déformation positive/négative), car l'électronique intégrée peut convertir les deux déformations en un signal de sortie positif. Le seul facteur important est le point acquis en premier et défini comme le point zéro. 

L'amplificateur de mesure intégré fournit un faible bruit et une bande passante de 2 kHz, il est donc bien adapté aux processus dynamiques.

Il est essentiel de sauvegarder  en permanence la portée, c'est-à-dire la différence entre le minimum (le point zéro) et le maximum (la force maximale appliquée). Le point zéro, d'autre part, n'est pas stocké de façon permanente et il est perdu après une panne de courant. Par conséquent, il est impératif de remettre à zéro après une panne de courant. Cependant, un ré-étalonnage n'est pas nécessaire.

Il convient également de noter qu'il existe une limite de contrainte inférieure à laquelle le capteur peut également être étalonné. Cette limite est logique car sinon, le bruit de l'électronique pourrait devenir trop fort. La position zéro et la déformation à la force maximale appliquée doivent toujours différer de 50 μm / m. Une plus petite différence entraîne l'échec de l'électronique à terminer le processus d'apprentissage. Pour les structures en acier, cela correspond à une déformation de matériau d'environ 10 N / mm 2, ce qui facilite son utilisation même avec de très faibles niveaux de déformation, c'est-à-dire avec des structures très rigides.

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