Capteurs de charge : Principes, types et applications

Un capteur de force est un transducteur qui convertit une force mécanique en un signal électrique. Ce signal peut être mesuré et normalisé, ce qui permet une surveillance et un contrôle précis dans un large éventail d’applications industrielles et commerciales. Les cellules de charge sont des composants essentiels dans les systèmes nécessitant une mesure précise de la force, notamment les systèmes de pesage, les essais structurels, l’analyse de la fatigue des matériaux et le contrôle de la force dans les domaines de la robotique et de l’automatisation.

Principe de fonctionnement des capteurs de pesage

Le principe de fonctionnement le plus courant des capteurs de pesage est basé sur les jauges de contrainte. Un capteur à jauges de contrainte se compose d’un élément élastique (souvent en acier ou en aluminium) auquel sont collées des jauges de contrainte. Lorsqu’une force est appliquée, elle provoque une déformation de l’élément élastique. Cette déformation entraîne une modification de la résistance électrique des jauges de contrainte, qui est proportionnelle à la force appliquée.

Cette variation de résistance est mesurée à l’aide d’un pont de Wheatstone. La sortie du pont est un petit signal de tension (généralement en millivolts), qui doit être amplifié par un amplificateur de cellule de charge pour être utile aux systèmes numériques. L’équation de base qui décrit cette relation est la suivante :

Où :

• est la tension de sortie,
• est la tension d’excitation,
• est la variation de la résistance,
• est la résistance nominale.

Types de capteurs de pesage

Les capteurs de compression sont conçus pour mesurer les forces appliquées en compression. Ils sont généralement utilisés dans des applications telles que la surveillance des presses, les mesures de poids sous les plates-formes et les systèmes d’automatisation industrielle.

Les capteurs de traction mesurent les forces qui tentent d’écarter le capteur. Ils sont couramment utilisés dans les cellules de charge des grues, les balances suspendues et les tests de tension structurelle.

Les capteurs à bouton sont des appareils compacts et discrets utilisés en cas de contraintes d’espace. Ils présentent souvent une surface en forme de dôme pour appliquer une force de compression et sont fréquemment utilisés dans les applications d’essai et de mesure.

Les capteurs de pesage numériques intègrent l’électronique de conditionnement des signaux dans le capteur de pesage lui-même. Ils émettent directement des signaux numériques, éliminant ainsi le besoin d’amplificateurs externes ou de convertisseurs analogiques-numériques.

Les capteurs de pesage hydrauliques fonctionnent en appliquant une force à un piston qui comprime un fluide confiné. La variation de pression dans le fluide est proportionnelle à la force appliquée et est lue par un manomètre. Ces capteurs sont robustes, idéaux pour les environnements dangereux et ne nécessitent pas d’alimentation pour la génération du signal.

Les capteurs de pesage pneumatiques fonctionnent de la même manière que les versions hydrauliques, mais utilisent la pression de l’air au lieu du fluide. Ils conviennent aux environnements propres et exposés aux explosions et offrent une précision moindre mais une sécurité et une fiabilité élevées.

Les capteurs de pesage inductifs et à réluctance utilisent les variations de l’inductance ou de la réluctance magnétique pour mesurer le déplacement causé par une charge appliquée. Les capteurs inductifs détectent les variations de l’inductance de la bobine, tandis que les capteurs à réluctance mesurent les variations de la réluctance magnétique dues au mouvement du noyau. Ils sont généralement utilisés lorsque la mesure sans contact est bénéfique ou que l’immunité au bruit électrique est requise.

Caractéristiques et spécifications

Les paramètres clés qui définissent les performances d’un capteur de pesage sont les suivants :

• Capacité nominale: La force maximale que la cellule peut mesurer avec précision.
• Sensibilité: Le rapport entre le signal de sortie et la charge appliquée, généralement en mV/V.
• Linéarité et hystérésis: Mesures de la précision avec laquelle la sortie suit la charge d’entrée.
• Fluage et équilibre du zéro: Indicateurs de stabilité dans le temps et sous une charge soutenue.

Les cellules de charge varient également en termes de matériau (acier inoxydable, aluminium, etc.), de protection environnementale (indice IP) et de configuration de montage, en fonction de l’application.

Applications des capteurs de pesage

Les capteurs de pesage sont omniprésents dans les systèmes d’ingénierie modernes. Dans les balances industrielles, ils assurent un pesage précis dans les chaînes de production et la logistique. Les cellules de charge des grues sont intégrées dans les systèmes de levage pour contrôler les forces de levage, améliorant ainsi la sécurité et l’efficacité. Dans les machines d’essai des matériaux, elles fournissent un retour d’information en temps réel sur les contraintes et les déformations. En robotique, les capteurs de pesage permettent un retour d’information sur la force, crucial pour les manipulations délicates et l’assemblage automatisé. Elles sont également utilisées dans l’aérospatiale, les essais de collision automobile, la biomécanique et l’agriculture.

Gamme de prix

Le coût des capteurs de pesage varie considérablement en fonction du type, de la capacité, de la précision et de la robustesse environnementale. Les capteurs à jauges de contrainte de base coûtent entre 30 et 100 dollars. Les modèles de grande capacité ou de haute précision peuvent coûter de plusieurs centaines à plusieurs milliers de dollars, en particulier pour des applications spécialisées telles que les essais aérospatiaux ou la métrologie de haute précision.

Questions techniques courantes

Qu’est-ce qu’un capteur de pesage ? Un capteur à jauges de contrainte est un capteur qui convertit une force mécanique en une sortie électrique, généralement en utilisant la technologie des jauges de contrainte.

Comment fonctionne un capteur de pesage ? Il détecte la déformation d’un élément de contrainte causée par une force appliquée et la traduit en un signal électrique mesurable.

Qu’est-ce qu’un capteur à jauge de contrainte ? Il s’agit d’un capteur qui utilise des jauges de contrainte à résistance électrique collée pour détecter les changements de déformation dus aux charges appliquées.

Quelle est l’équation d’un capteur à jauges de contrainte ? L’équation typique est basée sur le pont de Wheatstone et les changements de résistance : .

Qu’est-ce qu’un capteur de compression ? Il s’agit d’un capteur conçu spécifiquement pour mesurer les forces de compression (poussée).

Qu’est-ce qu’un amplificateur de cellule de charge ? Un dispositif qui augmente le signal microvolt d’un capteur de pesage à une tension plus élevée adaptée aux systèmes numériques.

Qu’est-ce qu’un capteur à bouton ? Il s’agit d’un petit capteur de compression en forme de disque utilisé dans les applications où l’espace est restreint.

Qu’est-ce qu’un capteur à grue ? Un capteur de traction de grande capacité utilisé pour mesurer la charge sur les grues et les palans.

Qu’est-ce qu’un capteur numérique ? Il s’agit d’un capteur à électronique intégrée qui émet un signal numérique, ce qui simplifie l’acquisition et le traitement des données.

Qu’est-ce qu’un capteur hydraulique ? Un capteur qui utilise un piston pour comprimer un fluide, les variations de pression reflétant la force appliquée.

Qu’est-ce qu’un capteur pneumatique ? Un capteur qui mesure la force en l’équilibrant par rapport à la pression de l’air.

Qu’est-ce qu’un capteur inductif ou à réluctance ? Un capteur qui utilise des principes électromagnétiques pour détecter le déplacement dû à la force, utile dans des environnements de détection spécifiques.

En résumé, les capteurs de pesage sont des composants essentiels des systèmes qui exigent une mesure précise de la force. En comprenant leurs principes, leurs types et leurs applications, les ingénieurs peuvent prendre des décisions éclairées lorsqu’ils choisissent le capteur approprié à leurs besoins spécifiques.