Tout ce que vous avez tou­jours vou­lu sa­voir sur les cap­teurs de force

ME­SURES MÉ­CA­NIQUES De nom­breuses ap­pli­ca­tions in­dus­trielles mettent en oeuvre des me­sures de force. Même s’ils sont très cou­rants, les cap­teurs de force ne sont pas à confondre avec les cap­teurs de pe­sage, par exemple. Tho­mas Kle­ckers, res­pon­sable Pro­duit

Mesures - - Front Page - Tho­mas Kle­ckers, res­pon­sable Pro­duits Cap­teurs de force chez HBM Ar­ticle adap­té par Cé­dric Lar­dière (1) Pour en sa­voir plus sur le pont de Wheats­tone, vous pou­vez vous re­por­ter à l’ou­vrage de ré­fé­rence « An In­tro­duc­tion to Stress Ana­ly­sis and Trans­du­cer

Les cap­teurs de force sont uti­li­sés pra­ti­que­ment par­tout dans l’in­dus­trie. On ne peut même pas ima­gi­ner les ap­pli­ca­tions qu’il nous ar­rive de ren­con­trer. Par exemple, une force me­su­rée à tra­vers un en­tre­fer dans un banc d’es­sai. En d’autres termes, la me­sure a lieu bien que le cap­teur de force ne touche pas la pla­te­forme. Et ce­la fonc­tionne réelle- ment ! Pour ex­pli­quer le fonc­tion­ne­ment un cap­teur de force, nous de­vons tout d’abord ré­pondre à la ques­tion sui­vante, la plu­part des cap­teurs de force en étant équi­pés: comment tra­vaille une jauge de contrainte? Une jauge de contrainte est un sup­port spé­ci­fique ren­fer­mant une grille de me­sure conduc­trice. Le prin­cipe de fonc­tion­ne­ment est simple : quand la jauge est éti­rée, la grille de me­sure s’al­longe ; quand la jauge est com­pri­mée, la grille se ré­tracte. Ce­ci a pour consé­quence un chan­ge­ment de ré­sis­tance dans les fi­la­ments de la grille et, par­tant de ce­la, il est pos­sible d’en dé­ter­mi­ner la contrainte. Lorsque la grille s’al­longe la ré­sis­tance aug­mente, alors que la ré­sis­tance di­mi­nue quand la grille se ré­tracte. Pour construire un cap­teur de force, en plus des jauges de contrainte, nous avons be­soin d’un corps d’épreuve, qui est gé­né­ra­le­ment en acier. La jauge de contrainte, en fait son sup­port de grille, est col­lée sur ce corps d’épreuve. Il en existe des formes bien dif­fé­rentes, la plus simple étant un cy­lindre en acier qui s’al­longe ou se ré­tré­cit sous l’in­fluence de la force. Dans cet ar­ticle, nous ne par­le­rons pas des autres forces, comme celles agis­sant sur le cô­té. La force ap­pli­quée sur l’acier gé­nère donc une dé­for­ma­tion ame­nant une contrainte. Et la contrainte peut éga­le­ment si­gni­fier une com­pres­sion, parce que, du point de vue de la phy­sique, il s’agit d’une contrainte né­ga­tive.

Le rôle im­por­tant du corps d’épreuve

Quand le cap­teur est éti­ré, nous ne sommes pas sim­ple­ment en pré­sence d’un al­lon­ge­ment mais aus­si d’un amin­cis­se­ment. C’est le co­ef­fi­cient de Pois­son qui in­dique le rap­port de la contrainte trans­ver­sale par rap­port à la contrainte axiale. Nous pou­vons com­pa­rer ce­la à une bande élas­tique qui de­vient sen­si­ble­ment plus mince quand elle est éti­rée. Si une jauge de contrainte, donc le cap­teur de force, est com­pri­mée, sa ré­sis­tance (en Ohms [ ]) di­mi­nue ; si elle est éti­rée, sa ré­sis­tance aug­mente ( voir fi­gure 1). Si le cy­lindre en acier est com­pri­mé, il rac­cour­cit tout en s’élar­gis­sant. Quand il est ti­ré, en plus de s’al­lon­ger, il s’amin­cit. L’im­por­tance de ces chan­ge­ments dé­pend de la masse même de l’acier. Il est évident que, si le corps d’épreuve a une masse im­por­tante, il va

fal­loir une force plus éle­vée pour pou­voir le com­pri­mer. Cette no­tion est es­sen­tielle lors­qu’on construit des cap­teurs de force pour dif­fé­rents ob­jec­tifs de me­sure. Pour de faibles forces no­mi­nales, on uti­lise des pe­tits cap­teurs ; à l’in­verse, pour des forces plus grandes, les cap­teurs se­ront plus gros. C’est pour­quoi la ca­rac­té­ris­tique « force no­mi­nale» dé­fi­nit la charge maxi­mum pré­vue pour le cap­teur. Re­ve­nons à la jauge de contrainte pro­pre­ment dire. Un cap­teur de force contient gé­né­ra­le­ment quatre jauges, re­liées entre-elles dans un mon­tage que

(1) l’on nomme pont de Wheats­tone ( voir fi­gure 2). Ce qui est très im­por­tant, c’est que les jauges soient cor­rec­te­ment col­lées sur le corps d’épreuve afin de su­bir les mêmes dé­for­ma­tions que lui. Quand l’acier se dé­forme, la ré­sis­tance de la jauge de contrainte va­rie, comme nous l’avons ex­pli­qué au­pa­ra­vant.ain­si, le si­gnal en sor­tie du pont de jauges dé­livre des in­for­ma­tions sur la gran­deur de cette dé­for­ma­tion. À par­tir de là, nous pou­vons cal­cu­ler la force agis­sant sur les jauges. C’est ain­si que le cap­teur de force fonc­tionne.

Ne pas confondre cap­teur de force et de pe­sage

D’un point de vue ma­thé­ma­tique, il est in­té­res­sant de voir que le cap­teur de force ne fonc­tionne que se­lon un prin­cipe de rap­ports li­néaires. Par consé­quent, la force est pro­por­tion­nelle à l’ef­fort mé­ca­nique ( ), qui est lui­même pro­por­tion­nel à la contrainte. Et la va­ria­tion de ré­sis­tance va­rie pro­por­tion­nel­le­ment à la contrainte. Le si­gnal

en sor­tie du pont de Wheats­tone est donc li­néai­re­ment pro­por­tion­nel à la va­ria­tion re­la­tive de la ré­sis­tance des jauges. Les cap­teurs de force ne sont pas les seuls cap­teurs uti­li­sés dans les ap­pli­ca­tions in­dus­trielles, on trouve éga­le­ment no­tam­ment les cap­teurs de pe­sage. Sur le prin­cipe, ils sont tous les deux vrai­ment si­mi­laires: le cap­teur de pe­sage me­sure bien évi­dem­ment la masse (ex­pri­mée en ki­lo­gramme) et le cap­teur de force me­sure un ef­fort (ex­pri­mé en new­ton). Ce qui est sûr, c’est qu’ils sont presque in­ter­chan­geables. Il suf­fit de se rap­pe­ler que 100g équi­valent à 1 N, et vous pou­vez trans­for­mer un cap­teur de force en cap­teur de pe­sage. Mais, dans les faits, ce n’est pas si simple. La pre­mière dif­fé­rence est la sui­vante: le cap­teur de pe- sage me­sure une masse dans une di­rec­tion seule­ment, parce que la masse est tou­jours plus grande que 0. Si un ré­ci­pient est pla­cé sur un cap­teur de pe­sage, ce­lui-ci ne peut pas sou­dai­ne­ment se sou­le­ver vers le haut et pro­duire une masse né­ga­tive. Quant au cap­teur de force, il me­sure des forces né­ga­tives de com­pres­sion et des forces po­si­tives de trac­tion. Les deux types de cap­teurs se dif­fé­ren­cient sur un deuxième point. Le cap­teur de pe­sage est fa­bri­qué, puis ins­tal­lé quelque part dans une usine. Il ne se­ra ni dé­mon­té ni éta­lon­né sur place par la suite. Le cap­teur de force, lui, est éta­lon­né en usine juste après sa fa­bri­ca­tion. Il doit tou­jours in­di­quer les mêmes va­leurs, même s’il est ins­tal­lé et dé­mon­té plu­sieurs fois. Le cap­teur de force doit donc avoir une construc­tion plus ro­buste que la plu­part des cap­teurs de pe­sage, de ma­nière à ga­ran­tir la re­pro­duc­ti­bi­li­té des va­leurs me­su­rées dans des condi­tions va­riables. Autre dif­fé­rence en­core, le cap­teur de pe­sage doit sa­tis­faire cer­taines exi­gences lé­gales, concer­nant le pe­sage com­mer­cial par exemple. Le cap­teur de force doit «seule­ment» ré­pondre à dif­fé­rentes normes ou ré­gle­men­ta­tions, telles que les normes VDI/ VDE 2635 et OIN 376. À la dif­fé­rence du cap­teur de pe­sage, la re­pro­duc­ti­bi­li­té est un fac­teur im­por­tant.

Un éven­tail très large d’ap­pli­ca­tions

En guise de conclu­sion, in­té­res­sons­nous à quelques exemples où sont mis en oeuvre des cap­teurs de force. L’un des types d’ap­pli­ca­tions concerne les tests d’ob­jets pour dé­ter­mi­ner quelle est l’in­ten­si­té de la force agis­sant sur eux. Par exemple, me­su­rer un im­pact sur un casque de mo­to, comme lors d’un ac­ci­dent.autres types d’ap­pli­ca­tions ren­con­trées, la me­sure de ré­fé­rence pour réa­li­ser des in­ter-com­pa­rai­sons na­tio­nales et in­ter­na­tio­nales entre des va­leurs me­su­rées. Dans ce cas, les ins­ti­tuts na­tio­naux de métrologie à tra­vers le monde uti­lisent en par­ti­cu­lier des cap­teurs de force ex­trê­me­ment pré­cis et rat­ta­chés aux Sys­tèmes in­ter­na­tio­naux d’uni­tés (SI). Ces ins­ti­tuts as­surent alors des va­leurs de ré­fé­rence rat­ta­chées aux éta­lons na­tio­naux. En­fin, on trouve les me­sures sur bancs d’es­sais et ma­chines in­dus­triels. Dans le pre­mier cas, il s’agit là de cap­teurs de force per­met­tant de pi­lo­ter une charge pré­cise dé­fi­nie sur une struc­ture – par exemple, quand une aile d’avion est pous­sée à l’aide d’un vé­rin pour si­mu­ler une condi­tion de vol réel. Les ma­chines et les sys­tèmes in­dus­triels, eux, ont be­soin de cap­teurs de force pour connaître la force né­ces­saire pour en­fon­cer un cha­peau de sty­lo afin qu’il reste en place. Mais il existe des exemples avec des presses, des chaînes de mon­tage et des tests de fin de ligne.

Les cap­teurs de force sont uti­li­sés pra­ti­que­ment par­tout dans l’in­dus­trie : le test d’ob­jets pour dé­ter­mi­ner quelle est l’in­ten­si­té de la force agis­sant sur eux, la me­sure de ré­fé­rence pour réa­li­ser des in­ter-com­pa­rai­sons na­tio­nales et in­ter­na­tio­nales, et les me­sures sur bancs d’es­sais et ma­chines in­dus­triels.

Qui dit cap­teur de force dit jauges de contrainte et aus­si corps d’épreuve. C’est en dé­ve­lop­pant des élé­ments op­ti­mi­sés que les fa­bri­cants comme HBM peuvent pro­po­ser des cap­teurs de force pour un très large éven­tail d’ap­pli­ca­tions.

Newspapers in French

Newspapers from France

© PressReader. All rights reserved.