Les capteurs de force basés sur les jauges de contrainte
Les capteurs de force équipés de jauges de contrainte sont construits sur le
principe d’un corps d’épreuve travaillant comme un ressort sur lequel les forces à
mesurer sont appliquées.
L'élément sensible se déforme et la contrainte se produit en surface. La
tâche du corps d’épreuve est donc de convertir les forces à mesurer, d’une façon
reproductible et linéaire. De nombreuses propriétés des capteurs de force sont
définies par le choix du matériau et de la conception du corps d’épreuve.
L'élément sensible du capteur est la jauge de contrainte (SG), qui se
compose d’une grille de mesure disposée sur un support et recouverte d’une couche
protectrice. Ces jauges de contrainte sont collées sur le corps d’épreuve aux endroits
appropriés. Généralement quatre jauges de contrainte sont utilisées et installées de
sorte que deux d’entre-elles soient étirées alors que les deux autres comprimés quand
la force est appliquée.
Les jauges sont ainsi reliées dans un montage dit « pont de Wheatstone ».
La figure ci-dessous représente un pont de Wheatstone qui doit être alimenté par une
tension. Le capteur délivre une tension de sortie lorsque les quatre résistances varient
quand une déformation se produit sur le corps d’épreuve.
Fonctionnement d’un capteur de force équipé de jauges de contrainte ici il s’agit d’un capteur
dont le corps d’épreuve travaille sur le principe d’un anneau de torsion (type: C18)
Le signal de sortie dépend des changements des résistances des jauges et
donc directement de la force appliquée.
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Avantages du principe de mesure des jauges de contrainte
Ce principe a démontré depuis longtemps ses qualités professionnelles et
offre de nombreux avantages. Les plus importants sont:
•Si la résistance électrique des jauges change dans la même direction et de la
même valeur, il n’y pas de tension de sortie. Cela signifie que les nombreuses
influences parasites, par exemple la dérive en température du point zéro,
l’action du moment de flexion, les effets des forces latérales, peuvent être
compensées (voir ci-dessous)
•Ce principe de mesure permet la production de capteurs de force avec des
précisions très élevées à des coûts relativement bas.
•La force nominale (évaluée) d’un capteur est seulement déterminé par la
rigidité du corps d’épreuve. HBM propose des capteurs avec des forces
nominales entre 10 N et 5 MN.
Le premier pont est particulièrement significatif. Il prouve que les
nombreuses influences non désirées peuvent être compensées en utilisant un
montage en pont de Wheatstone.
L’influence de la température sur le Zéro (TKZero) en particulier peut être
compensée même pour un niveau élevé. Chaque jauge de contrainte montre un signal
de sortie si la température varie, c’est ce qu’on appelle la contrainte apparente.
Le signal de sortie d’une SG dépend de la température
Effet de compensation
L'effet de compensation résulte du fait que les quatre jauges se comportent
de la même manière pendant les variations de la température en considérant la
direction et la grandeur des changements de résistance. Comme deux jauges positives
et deux jauges négatives interviennent dans l'équation, il n’y donc aucun signal de
sortie dû à la variation de la température.
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Pour le reste, l’erreur résiduelle minuscule peut être corrigée par des
éléments spéciaux en nickel qui sont connectés au pont de Wheatstone.
En complément des résistances dépendantes de la température (également
les éléments nickel) dans les lignes d’alimentation compense l’influence de la
température sur la sensibilité (TCS). Pendant les variations de la température, le
module du matériau diminue ce qui a pour conséquence plus de contrainte sous la
même application de force. En outre, la sensibilité des jauges dépend de la
température. Les résistances dans les lignes d’alimentation compensent ceci parce
que l'augmentation de la résistance à une température élevée amène une plus grande
chute de tension. Cela réduit la tension au pont de Wheatstone et par conséquent le
signal de sortie diminue.
Les erreurs de linéarité résultent des rapports géométriques qui changent
sous la charge. Les capteurs de force peuvent être optimisés pour avoir des linéarités
extrêmement bonnes grâce à un choix intelligent dans la conception du corps
d’épreuve et aussi au travers d’un positionnement précis des jauges de contrainte.
Le schéma montre un résumé des options de compensation. En plus des
influences TKzero et TCS décrites en détail plus haut, il est également possible
d’optimiser la linéarité et de réaliser la sensibilité exigée par un ajustement
Raccordement d’un capteur de force ajustement du TKZéro et TCS. Plus les éléments
d’ajustement pour la sensibilité et la linéarité
La technologie des jauges de contraintes permet également la
compensation des influences mécaniques qui ne devraient pas être mesurées, comme
les moments de flexion ou les forces latérales.
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