Capteur de Force 2024 PDF

Capteur de Force Année: 2024 capteur de force Pr B. El Hadadi 1  Capteur de force Introduction capteur de force Pr B. El Hadadi 2  Capteur de force Capteur mécanique Deux moyens pou...

Capteur de Force Année: 2024 capteur de force Pr B. El Hadadi 1  Capteur de force Introduction capteur de force Pr B. El Hadadi 2  Capteur de force Capteur mécanique Deux moyens pour évaluer une force:  Comparer la force à mesurer  Mesurer la déformation d'un avec une force de référence : corps élastique sous l'influence c'est le principe de la balance; d’une force : c'est le principe du dynamomètre; capteur de force Pr B. El Hadadi 3  Capteur de force Capteur électronique, la jauge de contrainte. Principe de fonctionnement de la jauge de contrainte: Il consiste à mesurer la variation de résistance d'un conducteur électrique de résistivité, ρ, en fonction de sa section s, et de sa longueur l. l Si l'on étire le fil, R  s la longueur (l), augmente et sa section (s), diminue; Et donc sa conductivité, () diminue aussi, par accroissement des distances entre les molécules ou entre les atomes. c/c Toutes ces variations convergent donc pour aboutir à une élévation de la résistance. En cas de compression, c'est l'inverse : la résistance diminue. capteur de force Pr B. El Hadadi 4  Capteur de force  Les constituants de l’élément sensible du capteur: La jauge: Circuit métallique peu épais (qq mm), il est fixé sur un support. Le corps déformable: C’est le corps qui subira la déformation. Il doit être souple et élastique. Le support: Il sert de lien entre le corps d’épreuve et la jauge. Il doit donc être souple et isolant. Ce support est en résine. La fabrication de la jauge et du support est identique à celle des circuits imprimés; Il faut éviter de sortir de la gamme de déformation élastique du support pour éviter tout risque de déformation permanente. capteur de force Pr B. El Hadadi 5  Capteur de force  Les constituants de l’élément sensible du capteur:  A l’origine, les jauges étaient constituées d’un fil (généralement en constantan, alliage métallique de cuivre et de nickel) collé en spires rapprochées sur un support mince;  Aujourd’hui, on trouve plutôt des jauges à trame pelliculaire obtenues à partir d’une feuille métallique mince (quelques mm d’épaisseur) et d’un support isolant (une résine synthétique) que l’on traite, comme un circuit imprimé, par lithographie et attaque à l’acide. capteur de force Pr B. El Hadadi 6  Capteur de force  Types de jauges de contraintes  Il existe trois types de jauges de contraintes :  Jauges métalliques;  Jauges piézorésistives;  Jauges à semi-conducteurs. capteur de force Pr B. El Hadadi 7 Jauges de contraintes métalliques capteur de force Pr B. El Hadadi 8  Capteur de force  Les constituants de l’élément sensible du capteur:  Un choix judicieux des matériaux:  La qualité d’un capteur à jauges de contraintes passe tout d’abord par un choix judicieux du matériau adapté pour: le corps de déformation ou (corps d’épreuve), le support isolant; la jauge de contrainte. capteur de force Pr B. El Hadadi 9  Capteur de force  Les jauges de contraintes métalliques  Constantan (alliage cuivre-nickel):  c’est l’alliage le plus courant. Il offre une bonne aptitude au soudage et peut être utilisé jusqu’à 200 °C.  Karma (alliage nickel-chrome):  par rapport à l’alliage précédent, le karma présente une sensibilité plus importante pour une contrainte similaire et sur le même corps d’épreuve, Il offre aussi de meilleures performances à haute température (jusque 350 °C).  Platine-tungstène:  ce matériau est le plus cher, il présente la meilleure résistance à la fatigue, Il reste cependant employé pour des applications très spécifiques. capteur de force Pr B. El Hadadi 10  Capteur de force  capteur de force Pr B. El Hadadi 11  Capteur de force  Le corps d’épreuve:  C’est l’élément fondamental du capteur puisque c’est lui qui est soumis aux déformations;  La tendance naturelle consiste à choisir des matériaux se prêtant à des déformations importantes, afin d’obtenir des signaux de grande amplitude;  Il faut alors éviter d’aller aux limites d’élasticité des matériaux afin de s’affranchir des risques de déformations permanentes voire de ruptures;  Les métaux répondant à ces critères ont chacun leurs avantages et leurs inconvénients. capteur de force Pr B. El Hadadi 12  Capteur de force  Le corps d’épreuve:  Les aciers alliés (E4340 par exemple) présentent une excellente résistance à la fatigue, mais ils doivent être protégés contre la corrosion;  Les aciers inoxydables n’ont pas ce problème mais ils sont peu homogènes et donnent des capteurs peu précis;  On utilise aussi des alliages d’aluminium, qui conviennent bien pour la réalisation de capteurs de faible capacité; c/c Le choix de matériaux adaptés ne suffit pas, Il faut aussi optimiser la géométrie du corps d’épreuve, afin de trouver des zones de déformations maximales et éviter de trop fortes concentrations de contraintes capteur de force Pr B. El Hadadi 13  Capteur de force  Le support:  Afin de transmettre le plus fidèlement possible les déformations du corps d’épreuve, le support de la jauge doit avoir des caractéristiques bien spécifiques:  bonne aptitude au collage,  coefficient de dilatation relativement faible,  bonne tenue en température, etc…. c/c Là aussi, des compromis s’imposent dans le choix des matériaux pouvant servir de support. capteur de force Pr B. El Hadadi 14  Capteur de force  Le support: Parmi eux, citons:  les résines époxydes qui entrent dans la composition des capteurs de grande précision. En les renforçant de fibres de verre, elles sont utilisables dans une plus large gamme de température.  Actuellement, ce sont les polyimides (polymères) qui suscitent le plus d’intérêt. o très flexibles et utilisables jusqu’à 250 °C, o ils peuvent être étalés aussi bien sur la trame qu’en dessous, ce qui permet de protéger la jauge. capteur de force Pr B. El Hadadi 15  Capteur de force  collage:  La liaison entre le support de la jauge et le corps d’épreuve est assurée par de la colle. Celle-ci sert d’adhésif mais aussi d’isolant électrique;  On a recours à différents types de colles, choisis en fonction de la nature du support;  Pour que les déformations soient transmises le plus fidèlement possible et que la liaison varie peu dans le temps, la couche de colle doit être mince et de faible viscosité. capteur de force Pr B. El Hadadi 16 Capteur de force capteur de force Pr B. El Hadadi 17  Jauge sans charge et multimètre standard Jauge supérieur Résistance en absence support de charge est de 349 Ω Jauge inferieur capteur de force Pr B. El Hadadi 18  Mesure en utilisant un multimètre standard R = 349 Ω quelle que soit la charge Masse de 200 g Sans charge Masse de 700 g capteur de force Pr B. El Hadadi 19  Mesure en utilisant un multimètre de précision Multimètre FLUKE R passe de 350,7 à 351 Ω soit une variation de 0,3 Ω Sans masse Masse de 500 g capteur de force Pr B. El Hadadi 20  Mesure en utilisant un multimètre de précision Deux jauge en série R ≈ 2 x 350,6 Ω Soit la somme de deux résistances quelle que soit la charge Masse de 500 g Sans masse capteur de force Pr B. El Hadadi 21  Capteur de force  Solutions:  Différents types de montage.  Comme les variations de résistance des jauges sont très faibles pour être mesurables directement, les jauges sont assemblées suivant un montage électrique en pont de Wheatstone.  Suivant le nombre de jauges constituant le pont, on trouve alors :  des montages en quart de pont (une seule jauge dite active),  en demi-pont (deux jauges actives)  en pont complet (quatre jauges actives),  les jauges manquantes étant au besoin remplacées par des résistances (ou des jauges dites de complément). capteur de force Pr B. El Hadadi 22  Capteur de force  Le pont de Wheatstone Le pont de Wheatstone a deux caractéristiques particulières:  A l’équilibre, la tension entre les deux points situés aux extrémités de sa diagonale est nulle;  Si l’une des résistances varie, le pont est déséquilibré et la tension de sortie mesurée permet alors d’accéder à la variation de résistance. capteur de force Pr B. El Hadadi 23  Capteur de force  Autre particularité, du pont de Wheatstone  deux résistances adjacentes du pont agissent en sens opposé,  alors que deux résistances opposées agissent dans le même sens. capteur de force Pr B. El Hadadi 24  Capteur de force  Autre particularité, du pont de Wheatstone  Il est ainsi possible d’éliminer l’influence de certains phénomènes tels que la température ou d’ajouter ceux qui sont liés aux grandeurs recherchées afin de les mesurer plus facilement. capteur de force Pr B. El Hadadi 25  Capteur de force  Conditionneur-amplificateur  Le pont de jauges est ensuite raccordé à un conditionneur- amplificateur (qui alimente le capteur, conditionne et amplifie le signal de quelques millivolts à quelques dizaines de volts) puis à un afficheur.  Mais c’est entre les jauges et l’amplificateur que tout se joue… capteur de force Pr B. El Hadadi 26  Capteur de force Conditionneur-amplificateur  Pour compenser l’influence de ces deux paramètres, il faut alors privilégier certains types de câblage suivant le pont de jauges utilisé (quart de pont, demi-pont ou pont complet). capteur de force Pr B. El Hadadi 27 Capteur de force capteur de force Pr B. El Hadadi 28  Capteur de force  Pont de Wheatstone C R1 R3 R s V m A B E R2 s R4 D capteur de force Pr B. El Hadadi 29  Capteur Les jauges dedecontraintes force Le montage en quart de pont  Le montage en quart de pont est constitué d’une jauge et de trois résistances de complément fournies par l’électronique associée à la jauge.  Ce montage est le plus simple et le moins cher, mais il présente de nombreux inconvénients,  Lorsque le pont est équilibré, ce courant est nul. Il en est ainsi lorsque la condition capteur de force Pr B. El Hadadi 30  Capteur de force (1) : 𝑆𝑖 𝐼 𝑑 =0 Alors (2) capteur de force Pr B. El Hadadi 31  Capteur de force  On remarque que la condition d’équilibre, ne dépend ni de , ni de ( est la résistance interne de l’appareil de mesure).  En général, la résistance interne de la source est beaucoup plus petite que toutes les autres résistances intervenant dans le montage, de sorte que la relation précédente se réduit à: (3) capteur de force Pr B. El Hadadi 32  Capteur de force  En général est beaucoup plus grand que toutes les résistances intervenant dans le montage.  Alors, la relation précédente se réduit à: (4) capteur de force Pr B. El Hadadi 33  Capteur de force de sorte que la tension de mesure s'écrit: (5) capteur de force Pr B. El Hadadi 34  Capteur de force Supposons que chacune de ces résistances subisse une petite variation, de sorte que Ri = Ro-ΔRi i = 1 et 4 C R1 R3 Ri = Ro+ΔRi i = 2 et 3 R s V m A B Alors, la relation (5) nous montre que: E R2 s R4 D (6) capteur de force Pr B. El Hadadi 35  Capteur de force Le montage en quart de pont On prend par exemple variable et , & fixes et donc DR1=DR3=DR4= 0 et la relation (6) devient : (7) capteur de force Pr B. El Hadadi 36  Capteur de force  Le montage en quart de pont C R1 R3 R s Vm A B Rd E R2 s R4 D capteur de force Pr B. El Hadadi 37  Capteur de force  Le montage en quart de pont Ce montage donne une tension de mesure Vm qui n'est pas, sauf pour les très petites valeurs de DR2/R0 , proportionnelle aux variations relatives de résistance. capteur de force Pr B. El Hadadi 38  Sans masse Masse de 20 g Masse de 50 g 39 capteur de force Pr B. El Hadadi  Capteur de force  Le montage en demi- pont C R1 R3 R s Vm A B Rd E R2 s R4 D capteur de force Pr B. El Hadadi 40  Capteur de force  Le montage en demi- pont Vous pouvez doubler la sensibilité du pont à la déformation en rendant les deux jauges actives dans une configuration en demi- pont. capteur de force Pr B. El Hadadi 41  Capteur de force Le montage en demi-pont  La Figure ci-dessous illustre une application d’une poutre en flexion avec une jauge montée en tension (R0 + DR) et l’autre montée en compression (R0 - DR). Tension R3 (R0 + DR) R4 Compression (R0 – DR) Montage en demi-pont capteur de force Pr B. El Hadadi 42  Capteur de force  Le montage en demi-pont Le montage en demi-pont est le plus répandu, il est constitué de deux jauges actives placées à proximité l’une de l’autre, les deux autres résistances (ou jauges de complément) étant fournies par l’électronique associée aux jauges. On utilise deux résistances fixes et deux variables. Par exemple R et R variables constituant deux capteurs identiques 1 2 tels que: DR1= DR2 = DR (7) et (R3 ,R4) fixes, donc DR3 = DR4=0 la relation (6) devient : capteur de force Pr B. El Hadadi 43  Capteur de force  Le montage en demi-pont  La tension de mesure est rigoureusement proportionnelle à la variation relative de résistance, mais la sensibilité est augmentée d’un facteur 2 par rapport au montage en quart de pont. capteur de force Pr B. El Hadadi 44  Capteur de force Enfin, vous pouvez augmenter davantage la sensibilité du circuit en insérant dans chaque branche du pont complet, quatre jauges de contrainte actives. Le circuit en pont complet est présenté Figure ci-dessous. Montage en pont complet capteur de force Pr B. El Hadadi 45  Capteur de force Le montage en pont complet C R1 R3 R s Vm A B Rd E R2 s R4 D capteur de force Pr B. El Hadadi 46  Capteur de force Le montage en pont complet E capteur de force Pr B. El Hadadi 47  Capteur de force Le montage en pont complet capteur de force Pr B. El Hadadi 48  Capteur de force  Le montage en pont complet  Le montage en pont complet est couramment employé dans la réalisation des capteurs de force ou de couple.  Avec un collage et un câblage adéquat, il permet en effet d’obtenir une sensibilité optimale.  Dans ce montage, les quatre résistances du pont sont des jauges. capteur de force Pr B. El Hadadi 49  Capteur de force Le montage en pont complet  Le câblage n’a aucune influence sur l’équilibre du pont, et les jauges sont placées dans les mêmes conditions thermiques.  Les quatre branches du pont sont constituées par quatre capteurs identiques dont les variations de résistance dans les branches contiguës sont deux à deux opposées c'est-à-dire : capteur de force Pr B. El Hadadi 50  Capteur de force Le montage en pont complet  Les quatre branches du pont sont constituées par quatre capteurs identiques dont les variations de résistance dans les branches contiguës sont deux à deux opposées c'est-à-dire : DR1= DR2 = DR4 = DR3 = DR capteur de force Pr B. El Hadadi 51  Capteur de force Le montage en pont complet (8)  Alors, la relation (6) se réduit à: capteur de force Pr B. El Hadadi 52  Capteur de force  Le montage en pont complet  La tension de mesure est alors rigoureusement proportionnelle à la variation relative de résistance d'un des capteurs tandis que la sensibilité est multipliée par un facteur 4 par rapport au montage en quart de pont. capteur de force Pr B. El Hadadi 53  Deuxième partie: réalisation du capteur capteur de force Pr B. El Hadadi 54  Montage global Etages suiveurs Amp différentiel Sortie analogique Réglage du gain Pont de jauge surcharge Réglage de zéroPr B. El Hadadi capteur de force 55  Sortie Entré capteur de force Pr B. El Hadadi 56  Résultats expérimentaux  La tension en fonction de la force dans le cas d’un montage quart de pont et demi-pont V(V) demi pont V(V) quat de pont 1.5 y = -0.0058867 + 0.23789x R= 0.99994 y = -0.0024037 + 0.12488x R= 0.99995 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 F(N) capteur de force Pr B. El Hadadi 57   La tension en fonction de la force dans le cas du pont complet V(V) V(Force) cas de pont complet 1 y = 0.00090909 + 0.0084055x R= 0.99999 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 120 F(N) capteur de force Pr B. El Hadadi 58   Comparaison entre le capteur industrielle et le capteur réalisé pour un montage demi pont V(V) V(V) Capteur industriel Comparaison entre les deux capteurs 1.2 y = 0.00090909 + 0.0084055x R= 0.99999 y = 6.7733e-09 + 0.01x R= 1 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 120 F(N) capteur de force Pr B. El Hadadi 59   Comparaison entre le capteur industriel et le capteur réalisé dans le cadre d’un PFE pour un montage pont complet y = -0.0058867 + 0.23789x R= 0.99994 V(V) V(V) demi pont industriel y = -0.0082756 + 0.25294x R= 0.99918 1.5 1 Capteur industriel 0.5 Capteur réalisé dans le cadre d’un PFE 0 0 1 2 3 4 5 6 7 F(N) capteur de force Pr B. El Hadadi 60  Comparaison des caractéristiques V= f(F) avant et après le réglage de l’amplification pour un montage pont complet Capteur industriel Capteur réalisé dans le cadre d’un PFE V(V) Avant réglage d'amplification V(V) Capteur industriel V(V) Après réglage d'amplification 1.2 y = 0.00090909 + 0.0084055x R= 0.99999 y = 6.7733e-09 + 0.01x R= 1 1 y = -0.00081818 + 0.010224x R= 0.99999 Après le 0.8 réglage de AO 0.6 0.4 Avant le 0.2 réglage de AO 0 0 20 40 capteur 60 de force 80 Pr B. El Hadadi 100 120 61 F(N)