Qu'est-ce qu'une cellule de charge et comment fonctionne-t-elle?
Une cellule de charge est un capteur électromécanique utilisé pour mesurer une force ou un poids. Sa conception, simple mais efficace, repose sur la conversion bien connue d’une force appliquée en une déformation d’un matériau et consécutivement en signal électrique. Ce sont des dispositifs incroyablement polyvalents qui allient précision et robustesse dans un large éventail d'applications. Il n'est pas surprenant qu'ils soient devenus essentiels à de nombreux processus industriels et commerciaux, qu'il s'agisse d'automatiser des lignes de construction automobile ou de peser vos achats en caisse. Avec l'explosion de la technologie, de nombreuses applications nouvelles et passionnantes émergent et bénéficient également de la mise en œuvre des capteurs de force ou de poids. Les nouvelles avancées dans le domaine de la robotique, de l'haptique et des prothèses médicales, pour n'en citer que quelques-unes, nécessitent toutes des moyens efficaces de mesurer les forces et les poids. De nouveaux types de capteurs sont continuellement conçus pour répondre aux besoins de ce marché en constante évolution.
Comment fonctionne une cellule de charge ?
Lorsque nous utilisons des capteurs de charge, une de ses extrémités est généralement fixée à un cadre ou à une structure porteuse tandis que l'autre est destinée à recevoir la charge ou la structure portée.
Lorsqu'une force est appliquée sur le corps du capteur, celui-ci fléchit légèrement sous la charge. Ce phénomène est similaire à celui qui se produit sur une canne à pêche lorsqu'un pêcheur ferre un poisson.
Le pêcheur maintien fermement la canne à pêche entre ses mains tandis que le poisson exerce une force de traction sur le fil à l'autre extrémité. Le résultat de cette force est que la canne à pêche se plie proportionnellement au poids du poisson : plus il est lourd, plus la canne fléchit.
Lorsque cette action se produit sur une cellule de charge, la déformation est très subtile et invisible à l'œil nu. Pour mesurer cette microdéformation, des jauges de contrainte sont collées au corps d’épreuve sur des zones prédéterminées, les amenant à suivre conjointement sa déformation. L’imperceptible mouvement qui en résulte modifie la résistance électrique des jauges de contrainte proportionnellement au niveau de déformation causée par la charge appliquée.
Grâce à l'électronique de conditionnement du signal, la variation de résistance électrique des jauges de contrainte peut être mesurée et mise en forme pour assurer la lecture du poids ou de la force.
Technologie d'un capteur de pesage ?
Un capteur de pesage type se compose de deux parties : le corps d’épreuve et un circuit électrique associé.
Le corps d’épreuve reçoit le poids ou la force à mesurer, et constitue la majeure partie de l’encombrement du capteur. Il est généralement fabriqué en inox de haute qualité ou en aluminium, garantissant fiabilité mécanique et répartition des contraintes uniformes.
Le circuit électrique est intégré au capteur, durablement fixé au corps d’épreuve.
Ce circuit comprend des jauges de contrainte, spécifiques à ce dernier, conçues pour détecter les déformations du corps d’épreuve. Ces jauges de contrainte sont constituées d’un fil conducteur très fin formant une grille.
Cette trame rend les jauges sensibles à leur allongement ou rétrécissement longitudinal mais insensibles dans le sens transversal.
En tant que telles, elles peuvent être positionnées avec précision pour détecter les déformations qui s’exercent dans des directions particulières. Par exemple, les jauges de contrainte des cellules de charge en cisaillement sont positionnées à un angle de 45 degrés par rapport à l’axe de chargement, de manière à maximiser la détection des contraintes de cisaillement traversant la cellule de pesée.
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Protection contre l’environnement
Selon l’application, un capteur de force peut se trouver dans des conditions environnementales très différentes.
Naturellement, l’environnement d’une salle blanche en laboratoire diffère grandement de celui d’un châssis d’un camion minier, mais les deux peuvent utiliser des types de capteurs très différents.
Il est donc important qu’ils soient suffisamment protégés de l’environnement extérieur pour assurer des performances durables dans le cadre de leur utilisation.
La plupart des capteurs sont protégés par une protection souple.
Leurs cavités sont remplies d’un matériau époxy ou d’une résine spéciale qui recouvre entièrement leurs composants électriques. Cela permet de protéger les circuits des dommages extérieurs et de l’humidité, ainsi que de dissiper la chaleur.
Certains capteurs sont eux hermétiquement scellés pour une protection contre l’environnement maximale. Des opercules soudés permettent d’offrir une barrière étanche et robuste, résistant aux environnements les plus difficiles.
Des certificats ATEX et FM sont disponibles pour certains capteurs.
Ces certificats indiquent que les capteurs sont conformes à une utilisation dans des environnements potentiellement explosifs sans risque d’étincelles.
Ces capteurs sont idéals pour les activités dégageant des gaz ou des vapeurs inflammables tels que la pulvérisation de peinture, ou sur des lieux de travail où sont manipulés des pulvérulents tels que de la farine ou de la sciure de bois.
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Précision des capteurs
Des tâches différentes nécessitent des degrés de précision différents.
Une balance médicale destinée à doser des médicaments doit évidemment avoir une résolution supérieure à celle d’une balance industrielle utilisée pour peser de grandes quantités de gravier ou de sable.
Pour cela vous trouverez différents types de cellules de charge offrant différents niveaux de précision et de capacité, afin de répondre aux besoins de ces diverses applications.
Il existe des règles et des accords internationaux visant à assurer un certain contrôle de la qualité des équipements de pesage et de mesure de force. L’idée est qu’une telle réglementation aide à promouvoir l’harmonie entre les différentes juridictions, facilitant ainsi le commerce et l’activité économique mondiale.
À l’échelle internationale, l’Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) régit ces réglementations métrologiques, et aux États-Unis le « National Type Evaluation Program » (NTEP) en fait de même.
De nombreuses activités commerciales dans lesquelles le produit est vendu au poids nécessitent un équipement de pesage conforme à un usage réglementaire. Un tel équipement est contrôlé et certifié par les autorités compétentes (normes OIML, NTEP ou nationales) pour une utilisation conforme. En règle générale, pour les balances commerciales, vous les verrez certifiées OIML classe C3.
Les capteurs de pesage certifiés OIML ou NTEP conviendront aux applications en métrologie légale. Parfois, ils auront à la fois les certifications OIML et NTEP, parfois une seule selon le marché ou la région du monde dans laquelle ils sont vendus.
En dehors de ces certifications, les cellules de charge sont étiquetées comme étant d’usage général (GP « General Purpose »). Celles-ci ne sont pas destinées à un usage réglementaire tout en pouvant souvent offrir des niveaux de précision similaires… Ils constituent un bon choix lorsque les réglementations légales ne s’appliquent pas.
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Installation et utilisation
La performance d’un capteur dépend de nombreux facteurs. Les premiers d’entre eux sont l’installation et un alignement approprié.
On dit souvent qu’un capteur n’atteindra que les niveaux de performance de son propre montage.
De fait il est important de suivre attentivement les recommandations du fabricant afin d’obtenir les meilleurs résultats de votre instrument et d’en assurer une utilisation sûre et durable.
Ces recommandations incluent souvent des informations sur le montage et l’alignement correct de votre capteur de charge, le choix approprié des fixations et des appuis, la mise en œuvre des accessoires de montage, les choix des électroniques de mesure, et les procédures de calibrage.
En travaillant en étroite collaboration avec votre fournisseur de capteurs, vous vous assurez de faire le meilleur choix et de disposer du produit le mieux adapté à vos besoins avec l’assurance que la solution retenue sera efficace et durable.
Types de cellules de charge
Les cellules de charge sont disponibles sous différentes formes et configurations selon leur utilisation dans leur domaine d'application. Les capteurs de pesage sont généralement classés en quatre catégories différentes, leur technologie de base restant identique.
Les quatre catégories principales sont :
Poutre / Barreau
Les capteurs poutres sont des cellules très polyvalentes qui fonctionnent généralement comme des lames dont une extrémité est fixe et l'autre libre de fléchir lorsqu'elle est soumise à une force.
Certains capteurs poutres peuvent également être considérés comme des capteurs à double extrémité, ce qui signifie que le capteur est fixé aux deux extrémités et chargé au centre.
Point d’appui central
En général, le fonctionnement des cellules de charge repose sur le fait que la force appliquée est introduite en un point déterminé du corps d’épreuve du capteur. Une excentration du point d’application de charge entraîne une perte de précision.
Les capteurs à point d’appui central fonctionnent différemment, en acceptant une charge excentrée tout en maintenant la précision. Cette capacité en fait un choix idéal pour les applications où la charge est appliquée avec un certain degré de variabilité.
Compression
Comme son nom l'indique, un capteur de compression mesure une force d'écrasement ou de poussée. Généralement, leur conception est en forme de colonne, ce qui confère au capteur une résistance supplémentaire pour une utilisation dans des applications statiques de grande capacité.
Traction
Un capteur en traction est principalement utilisé pour mesurer une force de tension. La charge est suspendue au capteur, provoquant son étirement.
Les capteurs en traction sont parfois appelés capteurs de type S en raison de leur forme ressemblant à la lettre S. De nombreux capteurs en traction peuvent également être utilisés pour mesurer une force de compression, les rendant très polyvalents.
