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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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Capteurs de Force et assimilés

cinquième partie (5/6)

généralités
la loi de Hooke s'applique
cellule de pression
on déplace le problème
capteurs à jauges de contrainte
toujours le pont de Wheatstone
autres procédés
comme pour la pression
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généralités

Dans les chapitres précédents nous avons examiné divers procédés pour mesurer une pression supposée élevée, dans celui-ci nous allons parler des capteurs de force qui exploitent les mêmes lois de la mécanique (et tout particulièrement la loi de Hooke) que ceux de pression et dont la jauge de contrainte va représenter le moyen privilégié de transduction.

En pratique pour mesurer une force on va disposer de 5 méthodes exploitant l'une ou l'autre des relations F= mg, P = F/S ou la loi de Hooke. Ainsi on va pouvoir : Ce sont ces deux dernières méthodes qui sont les plus courantes.

cellules de pression

En utilisant une membrane un peu modifiée un capteur de pression va parfaitement être en mesure de mesurer une force.


Le principe est représenté sur la figure ci-dessus. La force s'applique sur un dispositif solidaire d'une membrane déformable, laquelle vient compresser un liquide hydraulique, d'où variation de pression mesurée par un capteur en P. En exploitant la relation P=F/S on voit qu'avec une cellule de grande surface (et d'épaisseur conséquente) on pourra aisément mesurer des forces très importantes. Un tel dispositif est utilisé essentiellement en statique ou avec des forces variant lentement dans le temps. La précision atteint aisément 0.1%

cellule de force à jauge de contrainte

On peut tout simplement coller une jauge de contrainte le long d'une pièce qui sous l'effet de la force va s'étirer longitudinalement. C'est par exemple la technique employée pour peser une charge soulevée par une grue. Le peson sera inséré entre le cable et le crochet de la grue.

capteurs du type poutre encastrée

Une grande partie des applications concerne en fait la pesée de charges modestes, c'est à dire typiquement, mais non exclusivement, les balances de boucher ou du rayon fruits et légumes de supermarché. Le principe retenu est celui de la poutre encastrée supportant le plateau de la balance et équipée de 2 ou 4 jauges de contraintes selon le principe ci-dessous.


La force s'applique à l'extrémité de la poutre, deux jauges au dessus seront en extension tandis que les deux jauges inférieures seront comprimées (selon x). Il en résulte dans le montage en pont un signal S peu sensible aux variations de température. Les contraintes s'expriment en fonction des données où M est le moment produit par la masse à peser (de poids P) M = Px, E le module d'Young du matériau de la poutre, Sg le facteur de jauge.

On en déduit les variations de résistances (cf chap_p1.htm) d'où on peut exprimer qui varie linéairement avec P. Ce principe est très simple, mais pour obtenir une réelle linéarité il faut une poutre et un encastrement très soignés.

cellule en anneau

Une troisième variante de cellule de force est réalisée sous forme d'un anneau élastique qui sera inséré dans la liaison entre la force appliquée et un point fixe. Cet anneau comporte lui aussi 4 jauges, deux internes et deux externes.


Ici encore on aura une relation linéaire entre P et le signal de sortie du pont dès lors qu'on n'atteint pas la limite d'élasticité de l'anneau. Plutôt que des jauges de contrainte on emploie parfois un transformateur différentiel ou capteur à mutuelle inductance (cf chap_p3.htm) dont chaque enroulement est lié soit au sommet soit au bas de l'anneau.

Capteur piézoélectrique.

Ainsi qu'il est précisé par ailleurs on peut aussi exploiter l'effet piézoélectrique pour mesurer des forces (cf chap_p3.htm). En effet en chargeant une lame de quartz généralement circulaire taillée selon l'axe x on fait apparaitre entre les deux faces une ddp proportionnelle à la force. Notons qu'on peut empiler les rondelles de quartz pour augmenter la sensibilité. On peut atteindre des forces de 200kN. De plus le temps de réponse d'un capteur piézoélectrique est très faible, il sera donc avantageusement utilisé pour suivre des variations rapides de force, ce que ne peuvent faire les autres dispositifs. Pour cela on insère le capteur dans un oscillateur et on suit sa variation de fréquence (cf chap_c4.htm).