Capteurs de Force et Méthodes d'Évaluation

Présentation du Capteur de Force

• Le document présente un capteur de force, créé en 2024.
• L'auteur est le Pr. B. El Hadadi.
• Le document est divisé en plusieurs sections, illustrant différentes facettes du capteur.

Introduction au Capteur de Force

• Le document introduit le concept de capteur de force, soulignant deux méthodes principales pour évaluer une force.
• La première implique la comparaison avec une force de référence (principe de la balance).
• La seconde consiste à mesurer la déformation d'un corps élastique (principe du dynamomètre).

Capteur Mécanique

• Les deux méthodes principales pour évaluer une force sont présentées.
• La balance compare la force à mesurer à une force de référence.
• Le dynamomètre mesure la déformation d'un corps élastique.

Capteur Electronique: La Jauge de Contraintes

• Le capteur électronique, une jauge de contrainte, est décrit.
• La jauge mesure la variation de résistance d'un conducteur électrique en fonction de sa section et de sa longueur.
• L'étirement d'un conducteur augmente sa longueur et diminue sa section, ce qui réduit sa conductivité et augmente sa résistance.
• L'inverse est vrai pour la compression.

Constituants de l'Élément Sensible du Capteur

• La jauge est un circuit métallique fin, souvent fixé sur un support.
• Le corps déformable, généralement souple et élastique, subit la déformation.
• Le support, en résine, relie le corps déformable à la jauge et doit être isolant.
• Ces éléments sont souvent semblables aux circuits imprimés.
• Il est essentiel de rester dans la gamme de déformation élastique pour éviter les déformations permanentes.

Constituants de l'Élément Sensible du Capteur - Originaire

• Les jauges étaient initialement composées d'un fil en constantan, alliage cuivre-nickel, collé sur un support.
• La fabrication consistait à coller les fils en spirales sur le support.

Constituants de l'Élément Sensible du Capteur - Moderne

• Actuellement, les jauges sont souvent constituées d'une trame métallique mince, fixée à un support isolant (résine).
• La fabrication est similaire aux circuits imprimés.

Types de Jauges de Contraintes

• Il existe trois types de jauges de contrainte : métalliques, piézorésistives et à semi-conducteurs.

Jauges de Contraintes Métalliques

• Les jauges métalliques sont un type de capteur de force.
• Elles utilisent des matériaux spécifiques pour la mesure et la résistance à la fatigue.

Constituants de l'Élément Sensible du Capteur: Choix Judicieuse des Matériaux

• La qualité du capteur dépend du choix judicieux des matériaux, notamment pour le corps déformable, le support et la jauge.

Jauges de Contraintes Métalliques: Matériaux

• Le constantan (alliage cuivre-nickel) est l'alliage le plus courant, facile à souder.
• Le karma (alliage nickel-chrome) est plus sensible aux contraintes à haute température.
• Le platine-tungstène, plus coûteux, résiste mieux à la fatigue.

Exemple de Valeur Normalisée d'une Jauge de Contraintes

• La résistance d'une jauge de contrainte en l'absence de contrainte (valeur nominale), est typiquement entre 60 et 1000 Ω, 120 Ω étant la valeur la plus courante.

Le Corps d'Épreuve

• Le corps d'épreuve est l'élément central du capteur, soumis aux déformations.
• L'idéal est d'utiliser des matériaux qui supportent de fortes déformations sans rompre.
• Les choix de matériaux sont compromis entre durabilité, sensibilité et coûts.
• Les aciers alliés (E4340) offrent une résistance à la fatigue, mais nécessitent une protection contre la corrosion.
• Les aciers inoxydables, peu précis, mais plus résistants à la corrosion, sont parfois utilisés pour les capteurs à faible capacité.

Le Support

• Le support doit assurer une bonne transmission des déformations du corps d'épreuve à la jauge, avec une bonne adhérence, un coefficient de dilatation faible, une bonne résistance à la température.

Le Support: Matériaux

• Les résines époxydes, renforcées de fibres de verre, sont souvent utilisées pour leur précision et leur plage de température.
• Les polyimides (polymères) sont actuellement privilégiés pour leur flexibilité et leur résistance à la température.

Collage

• Le collage assure la liaison entre le support et le corps d'épreuve.
• Des colles appropriées aux matériaux impliqués sont utilisées.
• Un collage de qualité est important pour un bon coefficient de transfert des déformations.

Mesures de Déformation en Pratique

• Les mesures de déformation sont généralement de l'ordre des microdéformations.
• Des montages en pont, comme le pont de Wheatstone, sont utilisés pour mesurer de petites variations de résistance.

Mesure avec les Multimètres

• Les mesures de résistances sont effectuées avec des multimètres standard ou de précision, avec des masses variables.

Le Pont de Wheatstone

• Le pont de Wheatstone est un circuit électrique utilisé pour mesurer des variations de résistance.
• À l'équilibre, la tension entre les extrémités de la diagonale est nulle.
• Une variation de résistance sur une branche provoque un déséquilibre dans le pont, et la tension résultante est mesurée, proportionnelle à la variation de résistance.
• Les résistances adjacentes agissent en opposition, tandis que les résistances opposées agissent en complémentarité.
• Le pont de Wheatstone peut négliger l'influence des éléments comme la température.

Conditionneur-Amplificateur

• Le signal du pont est conditionné et amplifié par un conditionneur-amplificateur avant d'être traité.
• Le choix du type de pont de jauges (quart, demi ou pont complet) est crucial pour compenser certains paramètres comme la température.

Le Montage en Quart de Pont

• Ce montage est le plus simple et le moins cher, composé d'une jauge et de trois résistances de complément.
• Il présente des inconvénients concernant nombre.
• À l'équilibre, le courant est nul, mais la tension de mesure ne suit pas linéairement les variations de résistance.
• La condition pour que les résistances soient égales et constantes.

Le Montage en Demi-Pont

• Ce type de montage double la sensibilité par rapport au quart de pont.
• Il utilise deux jauges actives et deux résistances fixes dans un pont électrique.

Le Montage en Pont Complet

• Le montage en pont complet utilise quatre jauges de contraintes, ayant une configuration opposée ce qui permet l'élimination de la sensibilité aux variations de la température.
• La sensibilité est multipliée par 4, par rapport au montage en quart de pont.
• Une configuration typique utilise quatre résistances à jauges en configuration de pont.

Montage Global, Etages Suiveurs, Amp Différentiel

• Le document décrit le montage global du capteur de force.
• Divers éléments électroniques, comme les étages suiveurs et l'amp différentiel, sont inclus dans le montage complexe du capteur.

Résultats Expérimentaux

• Le rendu graphique de la tension de sortie en fonction de la force est présenté pour les trois types de montage (quart, demi et pont complet), afin de montrer les corrélations entre la mesure et l'application de la force.

Comparaison Capteur Industriel et Capteur Réalisé

• Une comparaison entre le capteur réalisé et un capteur industriel est faite sur la base de courbes de la tension en fonction de la force.

Comparaison Avant et Après Réglage d'Amplification

• Le document analyse l'effet du réglage de l'amplification sur les courbes de réponse et propose des diagrammes afin de mettre en évidence l'importance des points de mesure, comme la calibration.

Ce quiz explore les différents types de capteurs de force, y compris les capteurs mécaniques et électroniques. Il aborde les principes de mesure tels que la balance et le dynamomètre, ainsi que l'utilisation de jauges de contrainte. Testez vos connaissances sur les concepts liés aux capteurs de force.