Le fonctionnement des capteurs de force

Lors d’une mesure de force, le capteur doit idéalement être placé de telle sorte que toute la force passe à l´intérieur et que le capteur se trouve directement dans le flux. Important : pour cela, une transmission de force centrée et une surface d’appui suffisamment rigide sont nécessaires.

La conversion d’une grandeur mécanique en signal électrique s’effectue en trois temps sur les capteurs de force à jauges de contrainte. Le point de sortie d’un capteur de force avec jauges de contrainte est un corps d’épreuve sur lequel des allongements sont exercés au niveau de la surface du matériau par des charges extérieures.

Principaux avantages des capteurs de force avec jauges de contrainte:

• Les jauges de contrainte constituent une technologie éprouvée et économique pour les capteurs de force
• Haute précision et comportement exceptionnel à la linéarité et à l’hystérésis 
• Très bonne compensation de la température grâce à l’interconnexion intelligente des jauges de contrainte en un pont de Wheatstone
• Mesure possible des charges statiques et dynamiques
• Haute résistance à la fatigue grâce à un choix judicieux des matériaux du corps du capteur et résistance élevée aux vibrations des jauges de contrainte
• Très bonne stabilité à long terme

Formats
Les capteurs de force Baumer sont généralement réalisés sous forme de corps d’épreuve à membrane. Principaux avantages : leur taille compacte et leur fabrication à moindre coût. Les capteurs de force à membrane présentent généralement une très bonne étanchéité, ce qui les rend parfaitement adaptés aux environnements exigeants. Autres formats possibles : corps d’épreuve en S, corps d’épreuve cylindriques ou barre flexible

Les jauges de contrainte constituent le cœur des capteurs de force et de contrainte Baumer et permettent de détecter les allongements exercés à la surface du matériau. Elles sont généralement constituées d’un film porteur (en polyamide), d’une grille de mesure sous forme de méandres en constantan et d’une couche protectrice. Les jauges convertissent cet allongement mécanique en une variation de résistance électrique et se comportent comme des convertisseurs mécano-électriques. La variation de la résistance des jauges de contrainte s’effectue de manière proportionnelle (facteur k).

Montage en pont de Wheatstone
Le montage en pont de Wheatstone est une interconnexion spéciale de résistances électriques qui permet de mesurer précisément les variations de résistance. Avec le montage en pont complet utilisé dans le capteur, quatre jauges de contrainte sont toujours raccordées les unes aux autres dans un ordre défini. Le montage en pont se compose de deux diviseurs de tension montés en parallèle et alimentés par une source de tension commune avec l’alimentation du pont U_B.

Le pont de Wheatstone permet de détecter avec précision même les plus petites variations de résistance. Chaque variation de résistance conduit à un désaccord de pont UA pouvant facilement être mesuré. Le signal de mesure du pont est donc ratiométrique et proportionnel à la tension d’alimentation. Un signal de mesure type d’un capteur de force avec jauges de contrainte se situe entre 0,4 et 3 mV/V.

L’amplificateur en pont alimente le pont de Wheatstone en tension stable. Le signal de sortie du pont qui en résulte est renforcé et émis soit de manière analogique (sortie tension/sortie courant) soit via une interface numérique (CAN/IO-Link). Les amplificateurs en pont Baumer existent pour l’instant en sortie tension ± 10 VCC et sortie courant 4…20 mA. 

Qu’est-ce que la force et comment se calcule-t-elle ?
La force F en Newton [N] est le produit de la masse m en kg d’un corps et de l’accélération de la pesanteur g en m/s².

Ainsi, pour une masse de 100 kg, on obtient une force de 1 000 N. Dans la pratique, 10 m/s² est utilisé comme approximation simple pour l’accélération de la pesanteur g.

Qu’est-ce que l’allongement et comment se calcule-t-il ?
Dès qu’une force est exercée sur un corps, celui-ci subit une compression s’il s’agit d’une force de pression et un allongement s’il s’agit d’une force de traction. Cette variation linéaire relative est exprimée sous forme d’allongement ε en [µm/m] et définie comme le rapport entre une variation linéaire absolue Δ l et une longueur totale l0.

Module E 
L’allongement connu d’une pièce dépend toujours non seulement de la géométrie et de la force, mais également du matériau de la pièce. Le paramètre déterminant est le module E (module de Young). Il désigne le rapport proportionnel entre la contrainte et l’allongement lors de la déformation d’un corps solide dans la zone élastique linéaire. Selon ce principe, plus un matériau est rigide, plus son module de Young sera élevé. Pour l’acier couramment utilisé dans le détecteur, le module de Young se situe autour de E = 200 000 N/mm2, et autour de 70 000 N/mm² pour l’aluminium.

De la force à l’allongement
Tout composant soumis à une force F subit également, comme mentionné plus tôt, un certain allongement ε. Cet allongement dépend toujours du module E du matériau E, de la section transversale A du matériau, mais aussi de la force exercée. Sur la base de ces trois paramètres, voici comment se calcule l’allongement :

L’effort mécanique σ correspondant se calcule comme suit :

Facteur k
Le facteur k d’une jauge de contrainte désigne son niveau de sensibilité. Il s’agit d’un rapport linéaire entre la variation relative de la résistance et l’allongement d’un matériau.

Un facteur k type pour une jauge de contrainte se situe autour de 2,05 avec une grille de mesure en constantan.

Équation du pont de Wheatstone
Avec l’allongement et le facteur k, le signal de mesure attendu peut au final être atteint avec une équation du pont de Wheatstone. Avec une barre flexible, le signal de mesure se calcule comme suit :

Tenir compte du fait que deux jauges en traction et deux jauges en compression réagissent. Dans l’idéal, la somme des allongements doit être identique au niveau de tous les points de mesure.

Les responsables de projet et les ingénieurs en développement se voient toujours confier la tâche d’effectuer des mesures de poids sur des engins de chantier ou des machines similaires. D’un point de vue physique, il n’existe aucune différence spécifique entre les capteurs de force et les capteurs de pesage. La différence par rapport à un capteur de pesage calibré réside uniquement dans l’étalonnage des capteurs. À l’inverse des capteurs de pesage, les capteurs de force sont toujours calibrés sur une force nominale définie en N au lieu d’un poids défini en kg. Les capteurs Baumer sont adaptés comme capteurs de force et utilisés pour la mesure des forces.

Les caractéristiques des capteurs de force sont définies dans la directive VDI 2638. Les définitions mentionnées dans la directive permettent d’obtenir pour les capteurs de force une transmission d’informations uniforme qui facilite la comparaison des données techniques. Pour en savoir plus sur les caractéristiques, consultez notre glossaire sur la mesure des forces.