Dynamomètre

Dynamomètre
Dynamomètre
Un dynamomètre est un appareil de mesure d'une force ou d'un couple. Il utilise un ressort (cas d'un modèle simple)
dont on connaît la raideur définie par le module d'élasticité, ou une cellule à jauge de déformation. Le peson est son
nom d'origine.
L'unité de force est le newton (symbole N) du nom du découvreur de la théorie de la gravitation universelle, Isaac
Newton. Les multiples les plus usités sont le décanewton (daN, unité voisine en valeur du kilogramme-force) et le
kilonewton (kN). La dyne (symbole dyn) est une ancienne unité de force.
Aujourd'hui la plupart des dynamomètres sont numériques et tendent à remplacer les modèles mécaniques, que ce
soit en recherche-développement ou en contrôle qualité.
Dynamomètre mécanique
Les dynamomètres mécaniques utilisent directement le principe de la
loi de Hooke. En effet, puisqu'un ressort idéal suit une relation de type
, on peut en déduire la valeur
d'une force par mesure de l'allongement d'un ressort étalonné
(c'est-à-dire dont on connaît la raideur). Parmi les dynamomètres
mécaniques les plus connus, on peut mentionner les pesons, et le
dynamomètre de Poncelet (utilisé au XIXe siècle pour la police du
roulage).
Dynamomètre numérique
Schéma de principe d'un dynamomètre à ressort.
Un dynamomètre numérique est un instrument (portable ou fixe)
composé d'un capteur de force, d'un dispositif électronique et d'un
afficheur.
Le capteur de force est le cœur du système. Il peut être assimilé à un ressort qui se déforme en fonction de la force
appliquée. Lorsque ce capteur se déforme, les jauges de déformation mesurent les contraintes appliquées et émettent
une tension électrique proportionnelle à la force. L'électronique du dynamomètre interprète alors cette tension pour
l'afficher en unités de force.
Extensométrie
Les jauges de déformation sont des résistances dont l'augmentation de résistance électrique varie avec l'allongement
dans une direction donnée. On les fixe directement sur le ressort et l'on mesure leur résistance grâce à un pont de
Wheatstone. Les mesures sont aujourd'hui possibles jusqu’à une fréquence de 8 MHz, mais il faut une compensation
en température, et le comportement à long terme laisse à désirer par suite du fluage. On distingue généralement :
• les jauges à conducteur : l'allongement et la striction augmentent la résistance électrique ;
• les jauges à semi-conducteur : la résistance électrique spécifique augmente avec l'allongement par développement
d'efforts internes (effet piézoresistif). De telles jauges sont plus sensibles que les jauges tradtionnelles.
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Mesure par effet magnétostatique
L'état de contrainte dans un métal modifie de façon déterminée sa perméabilité magnétique µ (magnétostriction
inverse). En pratique, on détecte cette variation par celle du champ magnétique créé entre les bobines primaire et
secondaire d'un transformateur.
Ce capteur supporte des charges importantes. Cette technique, brevetée en 1954, est utilisée dans des capteurs
commercialisés par ABB sous le nom de Pressductor[1].
Mesure par effet piézoélectrique
Dans un insert piézo-céramique, l'application d'une force engendre une charge électrique Q proportionnelle à la
force.
On peut fabriquer des capteurs piézoélectriques très durs, et mesurer grâce à eux des variations à très haute fréquence
(au delà de 100 kHz). Dans les essais statiques ou quasi-statiques, il faut veiller à la stabilité du point d'application
des forces. On peut enregistrer les tensions planes en utilisant un tri-couches de céramiques avec une orientation
précise de chaque couche.
Mesure par compensation électromagnétique
Le principe est ici celui du haut-parleur : une bobine mobile est immergée dans un champ magnétique. Un
asservissement avec un capteur de déplacement maintient la bobine en position, et le courant induit dans la bobine
est proportionnel à la force s'exerçant sur elle. Par l'expression générale de la force de Lorentz on a ainsi :
avec : B intensité du champp magnétique, i courant électrique induit, l longueur effective du conducteur.
Ces capteurs ne permettent cependant de mesurer que de petites forces (max. 20…30 N) et sont pour cette raison
plutôt utilisés dans les balances de précision.
Mesure par corde vibrante
La période de vibration d'une corde tendue dépend de sa tension T selon la formule de D’Alembert :
avec : mb masse linéique de la corde en kg/m, l longueur libre de vibration, f fréquence propre.
On peut mesurer la tension d'une courroie en déterminant sa fréquence de vibration avec un fréquencemètre
optique[2].
Mesures de nanoforces
Microscope à force atomique et guide d'onde
Cette méthode permet de mesurer les forces en biologie. On insère un guide d'onde à résonance dans un multicouche
élastique. Si par la force d'adhérence d'une cellule la fibre supérieure du capteur est déformée localement, on peut
estimer la force correspondante en mesurant le déplacement du pic de résonance. La résolution est de 20 nN[3].
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Applications
Les dynamomètres sont de nos jours utilisés dans de nombreux domaines.
Machines d'essais en traction ou en compression (presse)
Ces machines sont équipées d'une cellule dynamométrique à jauge de
déformation. Très répandues, elles sont conçues pour fournir au
laboratoire industriel ou scientifique l'analyse des propriétés
mécaniques « quasi-instantanées »[4] des matériaux en fonction de
multiples paramètres de l'essai (déformation, vitesse de déformation,
température, histoire thermique, etc.).
Les capteurs de force sont munis d'un câble électrique terminé par un
connecteur et sont rapidement interchangeables (sauf pour les gros
modèles). La fréquence de leur étalonnage est souvent annuelle.
Les premières machines étaient reliées à un enregistreur graphique. Les
plus récentes sont connectées via un boîtier-interface à un PC muni
d'un logiciel. Ce système permet le pilotage, l'acquisition, la
visualisation, l'analyse numérique et graphique, l'exportation de
fichiers ASCII vers un tableur, la sauvegarde et l'impression des
données du test.
Évaluation de la résistance à la rupture en
La traverse supérieure est fixe. La traverse mobile est entraînée par
(traction-)cisaillement d'un joint de colle (v=10
deux vis latérales, actionnées par un moto-réducteur à courant continu.
mm/min). Le capteur de force (interchangeable ;
La liaison entre les vis et le réducteur s'effectue par poulies et courroie
de capacité 10 kN) est fixé sur la traverse mobile
synchrone en élastomère armé.
de la machine d'essais. Une chambre d'essais est
visible en arrière-plan.
La vitesse de déformation (ou de sollicitation) v est faible (v peut
varier de 0,1 à 500 mm/min ; en pratique v est souvent comprise entre
1 et 50 mm/min).
Des modèles renforcés (avec notamment bâti mécanique, moteur, transmission et capteur de force adaptés) peuvent
réaliser des tests mécaniques mettant en jeu des forces élevées[5]. Leur capteur de force peut mesurer plusieurs
centaines de kN (en traction, compression, flexion, etc.).
Remarque : un bouton d'arrêt d'urgence doit être présent.
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L'utilisation d'attaches auto-serrantes à
coins est recommandée pour certains
essais nécessitant des forces élevées ; cela
évite le risque de glissement des
extrémités de l'éprouvette.
L'application la plus courante est la mesure de la force à la rupture
(force maximale, Fm, obtenue avant d'atteindre la rupture) en traction
afin de savoir si un produit et/ou un montage est conforme ou non. Les
résistances à la rupture en traction (Rm ou σm) ou au cisaillement (τm)
ont la dimension d'une contrainte et sont déduites de la force à la
rupture ; ces deux résistances sont souvent exprimées en MPa[7].
Par exemple, on peut déterminer la force nécessaire pour séparer un
connecteur d'un câble, la force de fermeture d'une porte, une force
d'emboîtage élastique ou évaluer la qualité d'un ressort d'amortisseur.
Exploitation de l'essai de (traction-)cisaillement
Remarque : une machine de traction peut être couplée à un
pris pour exemple. Le logiciel trace en temps réel
extensomètre (de type optique, par exemple) permettant
une courbe F = f(déplacement de la traverse) de
[6]
ce type (détermination sur trois assemblages) .
l'enregistrement des courbes contrainte σ = f(déformation ε) des
éprouvettes soumises à une sollicitation en traction. Ainsi, il est
possible de caractériser la souplesse du matériau utilisé par la valeur de l'allongement à la rupture A%[8].
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Notes et références
[1] Pressductor (http:/ / www. abb. com/ product/ ap/ seitp330/
7c2dbedf705e56d1c1257899003180d0. aspx)
[2] Mesure de la tension d'une courroie (http:/ / www. contitech. de/ pages/ produkte/
antriebsriemen/ antrieb-industrie/ serviceprogramm_de. html)
[3] Thèse de doctorat de Karl-Friedrich Giebel : Wellenleitermikroskopie: eine neue
Methode zur Kraftmessung in biologischen Systemen, Bibliothèque universitaire de
Constance, 17 juillet 2003
[4] Les essais de choc font appel à d'autres techniques.
[5] C'est le cas par exemple d'éprouvettes en forme d'haltère en métal soumises à une
sollicitation en traction ou d'éprouvettes de géométrie normalisée en béton soumises
à une sollicitation en compression.
[6] Pour un essai de traction ou de cisaillement, la valeur de la résistance mécanique =
Fm / S ; avec S = section ou surface, suivant le type d'essai. Le résultat de l'essai de
résistance au cisaillement est fortement dépendant de l'épaisseur du joint.
Test de compression d'un cylindre en matériau
composite au moyen d'une machine équipée d'un
dynamomètre de 300 kN.
[7] Les essais de pelage et de clivage sont assez peu pratiqués. Les résistances au pelage et au clivage s'expriment en N/m (force à la
rupture/largeur de l'éprouvette).
[8] De plus, la mesure de la contraction latérale que subit un échantillon lors d'une expérience d'élongation permet d'accéder au coefficient de
Poisson d'un corps hookéen.
Sources et contributeurs de l’article
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