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Capteurs de force, capteurs de couple sur mesure, amplificateurs pour pont de jauges

Capteur de force à jauges de contraintes_mesure de force : définition

Definition de la mesure de force
Un capteur de force est un ensemble composé d'éléments sensibles :jauges de contraintes et d'un corps d'épreuve généralement un matériau métallique ,sur lequel sont collés les jauges de contraintes.
 
Ainsi un capteur de force peut être assimilé à un transducteur c'est à dire qu'il permet via une relation linéaire de transformer une grandeur physique mécanique en une grandeur physique électrique.
La jauge de contrainte a une impédance résistive exprimée en ohm (Ω).
Ci-dessous, la relation entre la variation relative de la valeur de résistance de la jauge qui st reliée à la variation relative de longueur du corps d'épreuve selon :
∆R/R=k.∆l/l
 
k est appelé le facteur de jauge ,c'est une constante.
 
Les technologies majeures  utilisées pour la  réalisation des jauges de contraintes  sont : jauges à trames pelliculaires sur support isolant, jauges à semi-conducteurs, jauges à couches-épaisses avec encres de sérigraphie et les jauges à couche mince par technique d'évaporation sur substrat.
Les jauges les plus utilisées et de trés loin sont les jauges à trames pelliculaires faites en Nickel-chrome , platine-tungstène, constantan car on peut modifier via des traitemets thermiques les caractéristiques physiques de la jauge de contrainte par exemple son coefficient résistif  en température (CTR).
 
Pourquoi utiliser un pont de 4 jauges de contraintes pour réaliser un capteur de force au lieu d'une seule jauge de contrainte?
C'est tout simplement la précision obtenue et la possibilité d'autcompenser les phénomènes physiques avec le pont de Wheatstone.
 
Les jauges de contraintes ont des profils différents mais les plus couramment utilisées ont :
jauges droites et jauge de cisaillement, voir les profils ci-dessous :
 
 
Jauge de contrainte longitudinale 
Jauge de contrainte de cisaillement (grille à 45°)
 
Ci-dessous une jauge soumise à déformation : compression et traction.
 
 
Lorsque le capteur est au repos (pas de chargement), la valeur ohmique que nous appèlerons R0 a une valeur nominale de référence en Ω (ohm).
 
LA JAUGE SOUMISE A UNE CONTRAINTE DE COMPRESSION 
Lorsque le capteur est soumis à une compression, la jauge voit une diminution de la longueur que nous appèlerons -∆l et qui entraine de-facto une diminution de la résistance .
Ainsi ,en première approximation la variation relative de la valeur ohmique de la jauge soumise à une compression s'écrit : -∆R / R0
 
LA JAUGE SOUMISE A UNE CONTRAINTE DE TRACTION
Lorsque le capteur est soumis à une traction, la jauge sollicitée subit un allongement de la longueur que nous appèlerons +∆l ,cet allongement entraine une variation positive de la résistance.
Ainsi ,en première approximation la variation relative de la valeur ohmique de la jauge soumise à une traction s'écrit : +∆R / R0.
 
SENSIBILITE ET PRECISION D'UN CAPTEUR
Ces caractéristiques connues des concepteurs de capteur sont primordiales puisque, compte tenu de ce qui a été évoqué ci-dessus il faudra positionner judicieusement la jauge dans une zone déformable de manière à avoir une sensibilité élevée et par voie de conséquence une précision importante.
La sensibilité s'exprime en mV/V et la précision en pourcentage : 0,05% ,0,1% ...
Ci dessous un schéma du pont de Wheatstone, le câblage en pont est typique dans la réalisation de capteurs avec en plus l'adjonction de circuits de compensation thermiques.
 
Le signal de sortie mesuré entre les bornes sortie+_sortie- donne une tension en mode différentiel .
Cette tension ,une fois amplifiée, via des montages avec amplificateurs opérationnels, donnera un signal en mode commun (le conditioneur pour pont de jauge)  : volt ou Ampère et exploitable par les systèmes d'acquisition ou afficheurs .
LES TYPES DE CAPTEUR
En fonction des spécifications techniques : environnement, volume, destination du capteur en intégration: les designs sont différents et les modèles les plus couramment utilisés comme dans le pesage ont donné lieu à des standards.
Dans les grandes lignes il existe : les rondelles de charges, les cellules de charge, les boutons de charge, les dynamomètres, les capteurs de flexion binoculaires.../...