Capteur de force

CHAPITRE 4
Les capteurs de force
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Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003
Introduction
Deux types de capteurs de force
- qualitatifs : détecte si la force mesurée dépasse un certain seuil ( clavier)
- quantitatifs : associe une grandeur numérique à la mesure de la force
Deux principes de mesures
- mesure de la déformation d ’un matériau soumis à une force
=> mesure de déplacement
- mesure directe à partir de capteurs sensibles à la force.
Objectifs
Étude des capteurs de mesure directe de force
- jauges de contrainte
- capteurs piézo-électriques
1
Effet piézo-résistif
L'effet piézo-résistif est la modification d'un de ces deux paramètres sous
l'effet d'une contrainte ou d'une déformation du matériau résistif.
R=
L
s
z
Déformation selon x :
x =
y
L
d
F
L
L
 x =E  x
Déformation selon y :
x
y=
d
d
 y =−  x
1
Jauges de contrainte
Principe
Capteurs utilisant le principe de piézo-résistivité à base d'éléments résistifs ou
semi-conducteur.
R=h F 
Ces jauges sont fixées à l'endroit d'une structure dont l'on veut connaître la
déformation L/L.
La déformation de la structure entraîne donc une déformation de la jauge, donc une
variation de résistance R/R fonction de L/L.
1
Relation entre R/R et L/L
La valeur résistive du matériau métallique constitutif est :
R=
L
s
Exemple pour un métal cylindrique longueur L et diamètre D :
R=
4L
D
2
dR=
4 L
D
2
d 
4
D
2
d L−
8 L
D
3
dD
dR d  d L
dD
=

−2
R

L
D
dR/ R d / 
dD / D
=
1 −2
dL/ L dL/ L
dL/ L
dD / D
=−
dL/ L
d /
dR/ R
K=
=1 −2 
dL/ L
dL/ L
R
L
=K
R
L
K : Facteur de jauge
1
Relation R/R et la Force F
La force est relié à la contrainte par :
dL
F =E⋅s⋅
L
E s dR
F= ⋅
K R
K: Facteur de jauge
F = s
E : Module de Young
ou
dR K
=
⋅F
R E⋅s
K=2à4
+- 50 à +- 200
pour les métaux
pour les semi conducteurs
1
Coefficient de température
Les jauges de contraintes sont sensibles également à la température.
R
=[ R K  s − j ]⋅T
R
r : Coeff de temp de la résistance de la jauge.
s : Coeff de dilatation du support.
j : Coeff de dilatation de la jauge.
On peut écrire :
R
dL
= K 0 [1  k T −T 0 ]⋅
R
L
Sensibilité thermique
5 ppm k 9/100
1
Applications
Conditionneur typique :
Problèmes :
- pont de Wheatstone ( très fréquent)
- montage à source de courant (rare)
- non-linéarité du pont
- influence de la température
Jauges métalliques
Jauges à semi-conducteur
1
Effet piézo-électrique
Principe
Matériau générant des charges électriques lorsqu’il est déformé sous l'effet d'une force
- quartz
- céramique polarisé
X
Description du principe (cas du quartz)
O2 -
- au repos : équilibre des charges
- sous contrainte : déséquilibre des charges
polarisation
Y
+
+
-
+
Si
+
-
-
+
+
-
Description du capteur
électrode
L ’amplitude de l’effet piézo-électrique peut se
représenté par :
x
y
P=P xx P yy P zz
Matériau piézo-électrique
Vue de coupe
1
Capteur de force piézo-electrique
Principe
Capteur actif, utilisant le principe de la piézo-électricité, générant une quantité de
charge en fonction de la force auquel il est soumis.
Fonction de Transfert
La charge totale Q présente sur les armatures du capteur dépend de l ’amplitude et de
la direction de la force.
Cas d’une force axiale
Q x =d 11⋅F x
Cas d’une force transversale
Q x =d 12⋅F y
Capteur multi-composantes Fx, Fy, Fz
Superposition de capteurs, 1 sensible à la compression et les deux autres
à des forces de cisaillement et disposés orthogonalement.
1
Exemples
Conditionneur typique
Le capteur délivre une charge en fonction de la force appliquée
convertisseur charge-tension
Coefficient piezo-electrique d11 typique pour différents matériaux
Merci Kistler !!
PVDF
20 pC/N
BaTiO3
78 pC/N
PZT
110 pC/N
TGS
Quartz
25 pC/N
2.3 pC/N
1
Caractéristiques métrologiques
des capteurs piézo-électriques
Sensibilité
- dépend de l’élément piézo-électrique donc du matériau utilisé.
Étendue de mesure
La plage de mesure des capteurs piézoélectriques vont de 0 à 100 kN, plage
sur laquelle le capteur est linéaire.
Grandeurs d ’influence
Température:
- modifie les coefficients piézoélectriques
Contraintes mécaniques
- capteur
- fils de liaison (effet tribo-électrique)
Bande passante
Limitation vers les fréquences basses due au conditionneur
Limitation vers les haute fréquence est généralemnt due à la resonance mécanique
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Capteurs tactiles
Définition
Les capteurs tactiles sont des capteurs de contact destinés
à assurer les fonctions remplies par les cellules tactiles de la
peau
Applications
- la reconnaissance des formes
- la commande des efforts de préhension
-
robotique,
biomédical
écran tactile,
clavier
http://w w w .harvard-magazine.com/jf99/right.robot.html
1
Capteurs tactiles
Force Sensing Resistor (1/2)
Principe
Une couche d ’élastomère conductrice en sandwich entre des éléments conducteurs.
F
conducteur
L ’application d ’une force sur les éléments conducteurs
augmentent la surface de contact entre l ’élastomère et
les conducteurs diminution de la résistance.
élastomère
C ’est un capteur résistif
Fonction de Transfert typique
Épaisseur : 0.25 mm
Re sis tance
Plage : 0-3 kg ( jusqu ’à 50 kg pour des capteurs sur mesure)
Force
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Capteurs tactiles
Force Sensing Resistor (2/2)
Applications
 Matrice de capteurs
- sécurité automobile,
- piano electronique
 Informations sur la
répartition des forces du
passager assis
- table graphique...
Classification
- podo-barométrie,
 Ajustement de l ’airbag
Conditionnement typique
- pont diviseur de tension
Avantages
- différentes tailles
- mise en œuvre facile
Inconvénients
- faible précision
- interchangeabilité médiocre
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Conclusion
Deux types de capteurs
- jauges de contraintes
- capteurs piézo-électriques
Choix
- linéarité
- bande passante de la force
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