Mesure du couple à l’aide de capteurs à pont

Qu’est-ce que le couple ? 

La force mesure l’interaction entre les corps : pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée. La force est aussi décrite comme une poussée ou une traction sur un objet. C’est une grandeur vectorielle avec à la fois une amplitude et une direction. 

Le couple est la tendance d’une force à faire pivoter un objet autour d’un axe. Tout comme la force est décrite comme une poussée ou une traction, le couple peut être décrit comme une torsion d’un objet. L’unité de mesure SI reconnue pour le couple est le newton-mètre (Nm). Par définition, le couple est équivalent à la force multipliée par la distance, où un couple ou une torsion dans le sens des aiguilles d’une montre est généralement positif et un couple dans le sens contraire des aiguilles d’une montre est généralement négatif. Les capteurs de couple sont composés de jauges de contrainte fixées sur une barre de torsion. Au fur et à mesure que la barre tourne, les jauges répondent à la contrainte réelle de la barre qui est proportionnelle au couple.

Mesure du couple

Il existe deux façons courantes de mesurer le couple : les capteurs de couple de réaction et les capteurs de couple rotatifs. La principale différence réside dans le fait qu’il peut tourner avec le périphérique testé.

Capteurs de couple de réaction

Le couple de réaction est la force, ou moment, de rotation imposée à la partie fixe d’un périphérique par la partie rotative lorsque la puissance est délivrée ou absorbée. Si la source de charge est maintenue rigide alors que la source d’entraînement essaie de tourner, le couple est détecté. Les capteurs de couple de réaction sont retenus de sorte qu’ils ne peuvent pas pivoter de 360 degrés sans que le câble s’enroule, car le boîtier ou le couvercle est fixé à l’élément du capteur. Ces capteurs sont généralement utilisés pour mesurer le couple d’un mouvement de type agitation en va-et-vient. Comme ces capteurs n’utilisent pas de roulements, de bagues collectrices ou d’autres éléments rotatifs, leur installation et leur utilisation peuvent être très rentables.

Capteurs de couple rotatifs

Les capteurs de couple rotatifs sont similaires en termes de conception et d’application aux capteurs de couple de réaction, à la différence que le capteur de couple est installé en ligne avec le périphérique testé. Comme l’arbre d’un capteur de couple tourne à 360 degrés, ces capteurs doivent avoir un moyen de transférer les signaux de l’élément rotatif vers une surface fixe.

Vous pouvez y parvenir en utilisant l’une des trois méthodes de montage les plus courantes : bagues collectrices, transformateurs rotatifs ou télémétrie.

Méthode des bagues collectrices :

 

Dans le cas de la méthode des bagues collectrices, le pont de jauge de contrainte est relié à quatre bagues collectrices en argent montées sur l’arbre rotatif. Les brosses en graphite argenté frottent sur ces bagues collectrices et fournissent un chemin électrique pour l’excitation du pont entrant et le signal sortant. Vous pouvez utiliser un courant alternatif ou un courant continu pour exciter le pont de jauge de contrainte.

Méthode du transformateur rotatif :

Pour la méthode du transformateur, les transformateurs rotatifs diffèrent des transformateurs classiques que par la rotation de l’enroulement primaire ou secondaire. Un transformateur est utilisé pour transmettre la tension d’excitation alternative au pont de jauge de contrainte et un second transformateur est utilisé pour transférer le signal en sortie à la partie non rotative du transducteur. Deux transformateurs remplacent donc quatre bagues collectrices et aucun contact direct n’est nécessaire entre les éléments rotatifs et fixes du transducteur.

Méthode de télémétrie numérique :

La méthode de télémétrie numérique ne nécessite pas de points de contact. Le système se compose d’un module récepteur-émetteur, d’un module de couplage et d’un module de traitement du signal. Le module émetteur est intégré dans le capteur de couple. Il amplifie, numérise et module le signal du capteur sur une onde porteuse de fréquence radio qui est détectée par le module de couplage de l’étrier (récepteur). Les données de mesure numériques sont ensuite récupérées par le module de traitement du signal.

Choisir le bon capteur de couple

Le choix du capteur de couple dépend principalement de vos besoins en matière de capacité et des exigences physiques ou environnementales.

Capacité : pour sélectionner la capacité adaptée, déterminez le couple minimal et maximal que vous attendez. Le couple et les moments extérieurs peuvent augmenter la contrainte combinée, ce qui accélère la fatigue et affecte la précision ainsi que les performances du capteur. Toute charge autre que le couple, telle que la charge axiale, radiale ou de flexion, est considérée comme extérieure et doit être déterminée au préalable. Si vous ne pouvez pas organiser votre installation de manière à minimiser les effets de ces charges, consultez la documentation du capteur pour vérifier que les charges extérieures respectent les valeurs nominales du capteur.

Exigences physiques et environnementales : évaluez les contraintes physiques (longueur, diamètre, etc.) et la façon dont le capteur de couple peut être monté dans votre système. Tenez compte du type d’environnement dans lequel le capteur fonctionnera pour garantir des performances appropriées dans de larges plages de températures, d’humidité ou de contaminants (huile, saleté, poussière).

Nombre de tours par minute (rpm) : dans le cas des capteurs de couple rotatifs, vous devez savoir combien de temps le capteur de couple tournera et à quelle vitesse pour déterminer le régime.

Conditionnement du signal pour capteurs de couple

Les capteurs de couple peuvent être conditionnés ou non. Vous pouvez directement connecter des capteurs conditionnés à un périphérique DAQ, car ils contiennent les composants nécessaires au filtrage et à l’amplification du signal et aux fils d’excitation, ainsi que les circuits habituels pour les mesures. Si vous travaillez avec des capteurs non conditionnés, vous devez prendre en compte plusieurs éléments de conditionnement du signal pour créer un système de mesure du couple efficace reposant sur un pont. Vous aurez besoin d’un ou plusieurs des éléments suivants :

• Une excitation pour alimenter le circuit de pont de Wheatstone. Pour en savoir plus, consultez la ressource sur les contraintes de mesure.
• La télédétection pour compenser les erreurs de tension d’excitation dues aux longs fils conducteurs
• L’amplification pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit
• Le filtrage pour supprimer les bruits externes à haute fréquence
• L’annulation de l’offset pour équilibrer le pont afin de produire 0 V lorsqu’aucune contrainte n’est appliquée
• L’étalonnage du shunt pour vérifier que la sortie du pont corresponde à une valeur connue et attendue

Pour apprendre comment compenser ces erreurs et passer en revue d’autres aspects matériels pour les mesures de couple utilisant un pont, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures précises avec un capteur.

Connecter les capteurs de couple au matériel NI

Une fois que vous connaissez vos besoins en matière de capteur ou de test, la prochaine étape importante consiste à choisir le matériel pour collecter ces données. La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données que vous collectez. 

NI propose une gamme de matériels de mesure de force et de pont conçue pour acquérir des données de couple et compatibles avec une variété de capteurs de couple utilisant un pont.