Composants du labo

Les capteurs de force utilisent généralement un "corps d'épreuve" déformable afin de déterminer la force appliquée. La déformation du corps d'épreuve détermine la force appliquée.

Il en existe 2 types :

• les capteurs de force à jauges de déformation ;

• les capteurs de force à à effet piézoélectrique.

Une des solutions est de mettre un ressort dont la raideur est connu entre les deux solides entre lesquels on souhaite connaître l'effort (dans la direction de la force bien sur ! ! !), on place un potentiomètre linéaire dans l'axe du ressort, connaissant le déplacement, via la raideur on a l'effort.

Avec potentiomètre

Une des solutions est de mettre un ressort dont la raideur est connu entre les deux solides entre lesquels on souhaite connaître l'effort (dans la direction de la force bien sur ! ! !), on place un potentiomètre linéaire dans l'axe du ressort, connaissant le déplacement, via la raideur on a l'effort.

A jauges d'extensométrie

Une jauge d'extensométrie (fil en serpentin) est collée sur la surface d'une pièce pour laquelle on désire connaître les efforts qu'elle subit. Lorsqu'un effort est appliqué, le fil se déforme, subit une variation de longueur. Or la variation de sa résistance électrique est proportionnelle à sa variation de longueur. Connaissant la loi de comportement du matériau, qui relie les déformations aux efforts, on a accès aux efforts.

En fonction du type d'effort mesuré, la (ou les) jauge(s) peuvent être collé directement sur une pièce du système ou sur un corps d'épreuve défini.

Principe fonctionnement

Sous la forme la plus simple, une jauge est constituée d'un très fin fil (2 microns) conducteur collé sur un support. Cette feuille très mince est arrangée suivant la forme de la figure ci-dessous. Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée.

La résistance d'un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet : $R=\frac{\mathrm{\rho }L}{S}$ où R résistance électrique, $\mathrm{\rho }$résistivité et S section du fil.

En prenant le logarithme népérien et la différentielle de chaque membre et en considérant que les paramètres varient très peu lors de la mesure, on obtient la relation : $\frac{\mathrm{\Delta }R}{R}=\frac{\mathrm{\Delta }\mathrm{\rho }}{\mathrm{\rho }}+\frac{\mathrm{\Delta }L}{L}-\frac{\mathrm{\Delta }S}{S}$puis enfin $\frac{\mathrm{\Delta }R}{R}=K\frac{\mathrm{\Delta }L}{L}$

où K est appelé le facteur de jauge (environ 2 ).

Les fabricants proposent des jauges de différentes tailles et de différentes formes en fonction des travaux d'analyse de contraintes. On aura donc des jauges simples pour l'analyse dans le sens de la déformation connue, des rosettes à 2 jauges (l'une pour le sens principal, l'autre pour la mesure du coefficient de Poisson ou encore pour la mesure de torsion), des rosettes à 3 jauges (45° ou 120°) lorsqu'on ignore les directions principales.

Principe de mesure

La méthode la plus précise pour mesurer une variation de résistance consiste à placer la jauge dans un pont de Wheatstone. Lorsqu'un pont est constitué de 4 résistances de valeur égale et alimenté par une source de tension (E) constante aux points C et D, on obtient par symétrie, une différence de potentiel nulle entre les points A et B. Si la résistance R1 varie légèrement, ce déséquilibre est mesuré par le galvanomètre (e0).

On vérifiera facilement que R1 et R3 agissent dans le sens positif (augmentation de la résistance) tandis que R2 et R4 agissent dans le sens contraire.

Le montage peut être réalisé avec une seule jauge active (montage dit en quart de pont), deux jauges actives (demi pont) ou encore quatre jauges actives (pont complet). Ce dernier montage est le montage le plus couramment utilisé pour les capteurs (force, pression...).

Lorsqu'une jauge est collée sur un substrat déterminé, elle subit des déformations suite à la dilatation propre du matériau due aux effets thermiques. C'est pourquoi les jauges actuelles sont autocompensées. Il faudra donc choisir une jauge dont le coefficient de dilatation est le plus proche de celui du substrat sur lequel elle sera collée.

Après leur installation, les jauges peuvent présenter de légères variations par rapport à la valeur de leur résistance nominale. De plus, les câblages ne sont absolument pas symétriques. Pour rattraper ce léger déséquilibre du pont, on branche un potentiomètre.

Utilisation

Les jauges d'extensométrie peuvent être utilisée comme base pour des capteurs :

• de force ou de couple en les plaçant sur un corps d'épreuve spécifique en fonction du type d'effort à mesurer ;

• de contraintes ou d'allongement en les collant directement sur le matériau à tester ;

• d'accélération ;

• de pression.

L'effet piézoélectrique

La piézoélectricité (du grec piézein presser/appuyer) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique. Les deux effets sont indissociables. Le premier est appelé effet piézoélectrique direct ; le second effet piézoélectrique inverse.

Lorsqu'une charge est exercée sur un cristal, la structure réticulaire typique de ce dernier est déformée. Cela ne peut se produire que si ladite structure ne présente pas de centre de symétrie. C'est le cas du quartz (SiO2), qui est ainsi parfaitement idoine. En outre, il peut être produit par synthèse. Lors de la déformation, les ions positifs de silicium et les ions négatifs d'oxygène sont poussés les uns contre les autres. Les centres de gravité des charges positives et négatives s'en trouvent déplacés, ce qui entraîne la formation d'une charge électrique.