Qu'est-ce qu'un capteur de pesage ?
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Une cellule de charge est un capteur de mesure de précision, un transducteur de force qui convertit une force mécanique en un signal électrique qui peut être mesuré, conditionné et analysé. Lorsqu'une force (tension, compression, cisaillement, couple, etc.) est appliquée, un capteur de force convertit cette force en un signal électrique qui varie proportionnellement à la force appliquée.
Les capteurs à jauges de contrainte permettent des mesures cohérentes et fiables de la force et sont largement utilisés dans une grande variété d'applications de pesage et d'autres mesures de la force. Il s'agit notamment de peser des produits dans le commerce et la logistique, d'assurer la sécurité, de permettre l'automatisation et d'étalonner des appareils. Ils sont utilisés dans de nombreuses industries telles que emballage, automobile, traitement chimique, l'agriculture, construction, médicalLes produits de l'industrie pharmaceutique, les tests et les mesures, la robotique et bien d'autres encore.
Il existe de nombreux types de capteurs de pesage qui convertissent différemment la force en une certaine forme de sortie, notamment les capteurs pneumatiques/hydrauliques, piézoélectriques, à fil vibrant et à jauge de contrainte. Les capteurs utilisant la technologie des jauges de contrainte sont les plus courants et se retrouvent dans la majorité des applications industrielles et commerciales. Les capteurs à jauge de contrainte sont privilégiés pour leur polyvalence, leur durabilité et leur relative rentabilité.
En tant que "nerf" de la plupart des balances électroniques et des systèmes de pesage, les cellules de charge permettent le commerce de tous les biens physiques et maximisent l'efficacité en fournissant un capteur de poids standardisé et cohérent au cœur des balances. Dans les applications industrielles, les capteurs de pesage ne sont pas seulement des composants pour les balances, mais sont essentiels en tant que capteurs de mesure de force pour une vaste gamme d'applications allant de quelques grammes à des centaines de tonnes, notamment dans les processus automatisés, l'assurance qualité, l'étalonnage des équipements, la surveillance de la sécurité et bien d'autres encore.
1. Cellules de charge à jauge de contrainte
1.1 Qu'est-ce qu'un capteur à jauge de contrainte ?
Les capteurs à jauge de contrainte sont les plus courants dans les applications industrielles et commerciales, car ils offrent un haut niveau de précision tout en étant capables de résister à des conditions difficiles. Leur conception simple mais efficace facilite leur intégration dans une large gamme d'équipements, depuis les balances de laboratoire de haute précision jusqu'aux systèmes de pesage industriel à usage intensif.
Les cellules de charge à jauge de contrainte convertissent la déformation d'un corps métallique en mesures sous forme de variations proportionnelles de la résistance électrique.
Un capteur à jauge de contrainte repose sur deux éléments essentiels :
- Élément : Une pièce de métal usinée qui se déforme de manière cohérente en proportion de la force appliquée.
- Jauges de contrainte : Type de résistance variable dont la résistance varie proportionnellement à la déformation du métal.
1.2 Jauge de contrainte
Les jauges de contrainte, en tant que résistances variables, réagissent à la déformation physique en modifiant leur résistance électrique, un changement qui est mesuré avec précision lorsqu'elles sont intégrées dans un circuit de pont de Wheatstone. Cette configuration, qui comprend quatre bras résistifs interconnectés dont l'un au moins est une jauge de contrainte, permet non seulement de mesurer la résistance avec une grande précision, mais aussi de compenser les erreurs induites par la température et d'améliorer la sensibilité aux infimes variations de résistance induites par la contrainte. Il en résulte un signal de sortie stable et reproductible, essentiel pour les mesures de force et de poids de haute précision.
1.3 Élément du capteur de pesage
Un élément sensible est une pièce de métal usinée avec précision (généralement en acier allié de haute qualité, en acier inoxydable ou en aluminium) à laquelle les jauges de contrainte sont collées. L'élément agit non seulement comme une enceinte durable, protégeant les jauges délicates, mais possède également des propriétés soigneusement calibrées qui lui permettent de se déformer de manière contrôlée.
L'élément peut se présenter sous différentes formes et tailles, ce qui permet d'intégrer facilement les capteurs à jauges de contrainte dans une large gamme d'applications, petites et grandes.
En savoir plus sur formes courantes des capteurs de pesage.
2. Capteurs de charge hydrauliques
2.1 Qu'est-ce qu'un capteur hydraulique ?
Les cellules de charge hydrauliques contiennent une chambre remplie de fluide et un piston. Lorsqu'une force est appliquée au piston, celui-ci exerce une pression sur le fluide hydraulique, qui est ensuite mesurée par un manomètre ou un transducteur pour indiquer la force.
La construction des cellules de charge hydrauliques les rend intrinsèquement robustes et adaptées au pesage à haute capacité, car elles peuvent résister à des environnements difficiles et à des charges lourdes. Ils ne sont pas non plus affectés par les fluctuations des champs électriques.
Cependant, les capteurs hydrauliques ont certaines limites. Ils peuvent être moins réactifs que les capteurs électroniques, ce qui les rend inadaptés aux mesures dynamiques où des changements rapides se produisent. La viscosité du fluide hydraulique peut également varier en fonction de la température, ce qui peut affecter la précision des mesures.
En outre, les systèmes hydrauliques nécessitent une étanchéité stricte pour éviter les fuites, ce qui peut compliquer la maintenance. La complexité et la taille des cellules de charge hydrauliques peuvent également limiter leur application dans des espaces où la compacité est requise. Malgré ces inconvénients, leur durabilité et leur précision dans la mesure de la force en régime permanent en font un outil précieux pour certaines applications industrielles.
3. Capteurs de pesage pneumatiques
3.1 Qu'est-ce qu'un capteur pneumatique ?
Les capteurs pneumatiques utilisent la pression de l'air pour mesurer la force. Ces cellules exploitent les principes de la dynamique des fluides, où la force mécanique appliquée à un diaphragme se traduit par des changements de pression d'air qui sont ensuite mesurés.
Lorsqu'une charge est appliquée, elle provoque une déformation de la membrane à l'intérieur du capteur pneumatique. Cette déformation modifie le volume à l'intérieur de la cellule, ce qui affecte la pression de l'air. La pression est alors stabilisée à un point de consigne en ajoutant ou en libérant de l'air. La quantité de pression d'air nécessaire pour atteindre cet équilibre est indicative de la force appliquée et est mesurée par un capteur de pression.
Bien que les capteurs pneumatiques soient plus sûrs pour une utilisation dans des environnements volatiles en raison de l'absence de composants électriques, ils présentent plusieurs inconvénients. Leur temps de réponse peut être plus lent que celui des capteurs électroniques et leur précision peut être affectée par les variations de la pression et de la température de l'air ambiant. Ils ont également tendance à avoir une résolution plus faible, ce qui les rend moins adaptés aux applications où les mesures fines sont cruciales.
4. Capteurs de charge piézoélectriques
4.1 Qu'est-ce qu'un capteur piézoélectrique ?
Les cellules de charge piézoélectriques mesurent la force sur la base de l'effet piézoélectrique, où certains matériaux (tels que le quartz) produisent une charge électrique en réponse à une contrainte mécanique appliquée.
Lorsqu'une force est exercée, les propriétés inhérentes de l'élément piézoélectrique lui permettent de générer une tension proportionnelle à cette force. Cette réaction immédiate est capturée et convertie en un signal électrique lisible, généralement par un amplificateur de charge.
Malgré leur réponse rapide et leur grande précision pour les charges dynamiques, les capteurs piézoélectriques sont moins adaptés aux mesures statiques en raison d'une fuite potentielle de la charge au fil du temps. Néanmoins, leur capacité à détecter rapidement les changements de force est bénéfique pour les applications mesurant la force transitoire.
5. Capteurs à fil vibrant
5.1 Qu'est-ce qu'un capteur à fil vibrant ?
Les capteurs à fil vibrant utilisent le principe du changement de fréquence dans un fil tendu pour mesurer la force. Ce type de capteur se compose de
Fil tendu : Un fil métallique ancré aux deux extrémités dans la cellule.
Bobine magnétique : Entourant le fil, elle est utilisée pour induire des vibrations et mesurer la fréquence naturelle du fil.
Le principe de la technologie du fil vibrant consiste à soumettre le fil à un champ électromagnétique qui le fait vibrer. La fréquence de vibration change en proportion directe de la tension du fil, qui varie en fonction de la force ou de la charge appliquée. Ce changement de fréquence est ensuite converti en un signal électrique qui peut être lu et interprété comme une mesure de la force.
Les capteurs à fil vibrant sont connus pour leur stabilité et leur fiabilité sur de longues périodes et sont moins sensibles à la dérive que d'autres types de capteurs. Cependant, leur fabrication peut être plus complexe et ils peuvent être sensibles aux variations de température, ce qui peut affecter la tension du fil et donc la précision des mesures de fréquence. Leur durabilité les rend adaptés aux applications géotechniques et de surveillance à long terme, où les conditions environnementales peuvent varier de manière significative.
Où trouve-t-on les capteurs de pesage ?
Chaque produit ménager a été pesé de nombreuses fois avant de se retrouver entre les mains du consommateur.
Les cellules de charge sont présentes partout où une force ou un poids doit être mesuré, en particulier dans les applications où un niveau élevé de précision ou de durabilité est nécessaire. Les cellules de charge sont utilisées pour mesurer tout ce qui va de quelques centaines de tonnes ou plus à quelques grammes ou moins, ce qui est essentiel pour presque toutes les industries qui doivent manipuler des produits physiques.
De la production à la livraison, les capteurs de pesage jouent un rôle essentiel.
Pour illustrer le rôle essentiel des capteurs de pesage, prenons l'exemple d'une pile de papier d'impression A4 :
Les capteurs de charge et les capteurs de force sont utilisés depuis le moment où un bras mécanique équipé d'un capteur de charge soulève et pèse un arbre fraîchement abattu, jusqu'aux bascules de camion qui déterminent la masse du bois récolté conformément à la sécurité des transports et aux réglementations forestières. Même dans l'usine de transformation du papier, les cellules de pesage jouent un rôle essentiel dans les systèmes de convoyage, en veillant à ce que le poids de la fibre brute soit contrôlé avant la transformation. Après la production, le poids du papier est méticuleusement vérifié pour s'assurer de l'uniformité des lots. Enfin, lorsque des palettes de papier entrent et sortent des entrepôts, les cellules de pesage valident le poids de la cargaison pour la gestion de l'inventaire, et lorsqu'une commande de papier A4 est passée, elle est pesée pour un calcul précis des frais de transport avant l'expédition.
Pourquoi les capteurs à jauge de contrainte sont-ils si largement utilisés ?
Les capteurs à jauge de contrainte sont appréciés pour leur précision, leur polyvalence et leur fiabilité, ce qui les rend indispensables dans diverses industries. Leur capacité à mesurer un large éventail de poids ou de forces - des milligrammes aux kilotonnes en passant par les livres-pouces - répond aux diverses exigences de nombreuses applications.
Le précision L'utilisation de jauges de contrainte, qui traduit de minuscules déformations physiques en signaux électriques, garantit la précision de la mesure du poids et de la force. Cette précision est essentielle pour maintenir le contrôle de la qualité sur les chaînes de production et garantir la conformité aux normes réglementaires.
Durabilité Les capteurs à jauges de contrainte sont construits pour durer, capables de fonctionner efficacement dans des environnements difficiles et dans des conditions industrielles sévères. Leur robustesse se traduit par une longévité et des performances constantes, ce qui est essentiel pour des opérations continues.
La valeur relative rentabilité des capteurs à jauges de contrainte contribue également à leur large utilisation. Les capteurs à jauges de contrainte offrent un équilibre entre des mesures de haute qualité et un prix abordable, ce qui est essentiel pour les entreprises qui cherchent à optimiser leurs opérations sans dépenses excessives.
En outre, le facilité d'intégration L'intégration de ces capteurs dans différents systèmes et leur évolutivité pour des applications personnalisées permettent une adoption transparente dans les installations technologiques existantes. Leur grande sensibilité aux variations de poids garantit que même les variations les plus légères sont saisies, ce qui permet un contrôle précis des processus.