Tout ce que vous avez voulu savoir sur les capteurs de force

Le 11/09/2017 à 14:00

Les capteurs de force sont utilisés pratiquement partout dans l'industrie : le test d'objets pour déterminer quelle est l'intensité de la force agissant sur eux, la mesure de référence pour réaliser des inter-comparaisons nationales et internationales, et les mesures sur bancs d'essais et machines industriels.

L nc ceux des jauges de contrainte. es capteurs de force sont utilisés pratiquement partout dans l'industrie. On ne peut même pas imaginer les applications qu'il nous arrive de rencontrer. Par exemple, une force mesurée à travers un entrefer dans un banc d'essai. En d'autres termes, la mesure a lieu bien que le capteur de force ne touche pas la plateforme. Et cela fonctionne réelle-ment ! Pour expliquer le fonctionnement un capteur de force, nous devons tout d'abord répondre à la question suivante, la plupart des capteurs de force en étant équipés : comment travaille une jauge de contrainte ?

Une jauge de contrainte est un support spécifique renfermant une grille de mesure conductrice. Le principe de fonctionnement est simple : 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, partant de cela, il est possible d'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, qui est généralement en acier. La jauge de contrainte, en fait son support de grille, est collée sur ce corps d'épreuve. Il en existe des formes bien différentes, la plus 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 donc une déformation amenant une contrainte. Et la contrainte peut également signifier une compression, parce que, du point de vue de la physique, il s'agit d'une contrainte négative.

Le rôle important du corps d'épreuve

Quand le capteur est étiré, nous ne sommes pas simplement en présence d'un allongement mais aussi d'un amincissement. C'est le coefficient de Poisson qui indique le rapport de la contrainte transversale par rapport à la contrainte axiale. Nous pouvons comparer cela à une bande élastique qui devient sensiblement plus mince quand elle est étirée. Si une jauge de contrainte, donc le capteur de force, est comprimée, sa résistance (en Ohms [O]) dimi-nue ; si elle est étirée, sa résistance aug-mente ( voir figure 1 ).

Si le cylindre en acier est comprimé, il raccourcit tout en s'élargissant. Quand il est tiré, 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 a une masse importante, il va falloir une force plus élevée pour pouvoir le comprimer. 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.

Qui dit capteur de force dit jauges de contrainte et aussi corps d'épreuve. C'est en développant des éléments optimisés que les fabricants comme HBM peuvent proposer des capteurs de force pour un très large éventail d'applications.

Revenons à la jauge de contrainte proprement dire. Un capteur de force contient généralement quatre jauges, reliées entre-elles dans un montage que l'on nomme pont de Wheatstone (1) ( voir figure 2 ). Ce qui est très important,

c'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 nous l'avons expliqué auparavant. Ainsi, le signal en sortie du pont de jauges délivre des informations sur la grandeur 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.

Ne pas confondre capteur de force et de pesage

D'un point de vue mathématique, il est intéressant de voir que le capteur de force ne fonctionne que selon un principe de rapports linéaires. Par conséquent, la force est proportionnelle à l'effort mécanique (s), qui est lui-même proportionnel à la contrainte. Et la variation de résistance varie proportionnellement à la contrainte. Le signal en sortie du pont de Wheatstone est donc linéairement proportionnel à la variation relative de la résistance des jauges.

Figure 1. Jauge de contrainte et capteurs soumis à une force

On peut comparer une jauge de contrainte soumise à une force à une bande élastique, qui devient sensiblement plus mince quand elle est étirée. Si la jauge est comprimée, sa résistance (en ohms) diminue ; si elle est étirée, sa résistance augmente.

Figure 2. Pont de Wheatstone

Un montage classique des jauges de contrainte est le pont de Wheatstone (ici, un montage de quatre jauges reliées entre elles).

Les capteurs de force ne sont pas les seuls capteurs utilisés dans les applications industrielles, on trouve également notamment les capteurs de pesage. Sur le principe, ils sont tous les deux vraiment similaires : le capteur de pesage mesure bien évidemment la masse (exprimée en kilogramme) et le capteur de force mesure un effort (exprimé en newton). Ce qui est sûr, c'est qu'ils sont presque interchangeables. Il suffit de se rappeler que 100 g équivalent à 1 N, et vous pouvez transformer un capteur de force en capteur de pesage. Mais, dans les faits, ce n'est pas si simple. La première différence est la suivante : le capteur de pe-sage mesure une masse dans une direction seulement, 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 une masse négative. Quant au capteur de force, il mesure des forces négatives de compression et des forces positives de traction.

Les deux types de capteurs se différencient sur un deuxième point. Le capteur de pesage est fabriqué, puis installé quelque part dans une usine. Il ne sera ni démonté ni étalonné sur place par la suite. Le capteur de force, lui, est étalonné en usine juste après sa fabrication. Il doit toujours indiquer les mêmes valeurs, même s'il est installé et démonté 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. Autre différence encore, le capteur de pesage doit satisfaire certaines exigences légales, concernant le pesage commercial par exemple. Le capteur de force doit « seulement » répondre à différentes normes ou réglementations, telles que les normes VDI/ VDE 2635 et OIN 376. À la différence du capteur de pesage, la reproductibilité est un facteur important.

Un éventail très large d'applications

En guise de conclusion, intéressons-nous à quelques exemples où sont mis en œuvre des capteurs de force. L'un des types d'applications concerne les tests d'objets pour déterminer quelle est l'intensité de la force agissant sur eux. Par exemple, mesurer un impact sur un casque de moto, comme lors d'un accident. Autres types d'applications rencontrées, la mesure de référence pour réaliser des inter-comparaisons nationales et internationales entre des valeurs mesurées. Dans ce cas, les instituts nationaux de métrologie à travers le monde utilisent en particulier des capteurs de force extrêmement précis et rattachés aux Systèmes internationaux d'unités (SI). Ces instituts assurent alors des valeurs de référence rattachées aux étalons nationaux.

Enfin, on trouve les mesures sur bancs d'essais et machines industriels. Dans le premier cas, il s'agit là de capteurs de force permettant de piloter une charge précise définie sur une structure – par exemple, quand une aile d'avion est poussée à l'aide d'un vérin pour simuler une condition de vol réel. Les machines et les systèmes industriels, eux, ont besoin de capteurs de force pour connaître la force nécessaire pour enfoncer un chapeau de stylo afin qu'il reste en place. Mais il existe des exemples avec des presses, des chaînes de montage et des tests de fin de ligne.

(1) Pour en savoir plus sur le pont de Wheatstone, vous pouvez vous reporter à l'ouvrage de référence « An Introduction to Stress Analysis and Transducer Design using Strain Gauges ».