Introduction aux capteurs de force piézoélectriques

Les capteurs de force à quartz sont recommandés pour les applications de force dynamique. Ils ne sont pas utilisés comme "cellules de charge" pour les applications statiques. Les mesures de forces dynamiques oscillantes, de compression/tension à grande vitesse dans des conditions variables peuvent nécessiter des capteurs aux capacités particulières. Une réponse rapide, la robustesse, une rigidité comparable à celle de l'acier massif, des portées étendues et la capacité de mesurer également des forces quasi-statiques sont des caractéristiques standard associées aux capteurs de force à quartz PCB.

Les informations suivantes présentent certaines des caractéristiques de conception et de fonctionnement des capteurs de force à quartz PCB afin de vous aider à mieux comprendre leur fonctionnement, ce qui, à son tour, vous "aidera à effectuer de meilleures mesures dynamiques".

La figure 1 illustre la section transversale d'un capteur de force à quartz typique. Ce capteur particulier est un modèle de compression/tension à usage général de la série 208 avec électronique intégrée.

Figure 1 : Compression-Tension-Impact Série 208

Lorsqu'une force est appliquée à ce capteur, les cristaux de quartz génèrent une charge électrostatique proportionnelle à la force d'entrée. Cette sortie est collectée sur les électrodes prises en sandwich entre les cristaux et est ensuite soit acheminée directement vers un amplificateur de charge externe, soit convertie en un signal de tension à faible impédance à l'intérieur du capteur. Ces deux modes de fonctionnement seront examinés dans les sections suivantes.

Un capteur de force piézoélectrique en mode charge, lorsqu'il est sollicité, génère une forte charge électrostatique à partir des cristaux. Cette charge à haute impédance doit être acheminée par un câble spécial "à faible bruit" vers un amplificateur de conversion d'impédance tel qu'un amplificateur de charge de laboratoire ou un suiveur de source à des fins d'enregistrement. La connexion directe du capteur à un dispositif de lecture tel qu'un oscilloscope est possible pour l'indication des impacts à haute fréquence, mais ne convient pas pour la plupart des mesures quantitatives de la force.

La fonction principale de l'amplificateur de charge ou de tension est de convertir la sortie de charge à haute impédance en un signal de tension à basse impédance utilisable à des fins d'enregistrement. Les amplificateurs de charge de laboratoire offrent une polyvalence supplémentaire pour la normalisation, la gamme et le filtrage des signaux. Les amplificateurs de charge "électrostatiques" de PCB ont des réglages d'entrée supplémentaires pour les mesures quasi statiques, l'étalonnage statique et le fonctionnement dynamique sans dérive. Les amplificateurs miniatures en ligne sont généralement de gamme et de fréquence fixes.

Les capteurs de force à mode de charge en quartz avec isolateurs tombés peuvent être utilisés à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 204°C (400°F).

Lorsque vous envisagez d'utiliser des systèmes à mode de charge, n'oubliez pas que la sortie des cristaux est une charge électrostatique pure. Les composants internes du capteur de force et le connecteur électrique externe maintiennent une résistance d'isolement très élevée (typiquement 10el3 ohm) afin que la charge électrostatique générée par les cristaux ne "fuie" pas. Par conséquent, tous les connecteurs, câbles ou amplificateurs utilisés doivent également avoir une résistance d'isolement très élevée pour maintenir l'intégrité du signal. Les contaminants environnementaux tels que l'humidité, la saleté, l'huile ou la graisse peuvent tous contribuer à réduire l'isolation, ce qui entraîne une dérive du signal et des résultats incohérents.

L'utilisation d'un câble spécial "à faible bruit" est nécessaire avec les capteurs de force en mode charge. Un câble standard, bifilaire ou coaxial, lorsqu'il est fléchi, génère une charge électrostatique entre les conducteurs. Ce phénomène est appelé "bruit triboélectrique" et ne peut être distingué de la sortie électrostatique du cristal du capteur. Les câbles "à faible bruit" comportent un lubrifiant spécial en graphite entre le blindage diélectrique qui minimise l'effet triboélectrique.

Les figures 2 et 3 montrent le schéma d'un système typique d'amplificateur de charge comprenant : un capteur, un câble à faible bruit et un amplificateur de charge.

Figure 2 : Schéma d'un système en mode charge



Figure 3 : Système de mode de charge

Les capteurs de force ICP® intègrent un amplificateur microélectronique MOSFET pour convertir la sortie de charge haute impédance en un signal de tension basse impédance pour l'enregistrement. Les capteurs ICP, alimentés par une source de courant constant séparée, fonctionnent sur de longs câbles coaxiaux ou rubans ordinaires sans dégradation du signal. Le signal de tension à basse impédance n'est pas affecté par le bruit des câbles triboélectriques ou les contaminants.

Figure 4 : Schéma du système de capteurs ICP

L'alimentation des capteurs ICP se fait généralement sous la forme d'une alimentation en courant constant de 24-27 VDC et de 2-20 mA à faible coût. La Figure 4 illustre schématiquement un système de capteur ICP typique. Le PCB propose un certain nombre de conditionneurs d'alimentation/de signal à un ou plusieurs canaux, alimentés par courant alternatif ou par batterie, avec ou sans capacité de gain pour une utilisation avec des capteurs de force. (Voir la section Produits connexes de ce catalogue pour connaître les modèles disponibles.) De plus, de nombreux systèmes d'acquisition de données intègrent désormais une alimentation à courant constant pour alimenter directement les capteurs ICP. Étant donné qu'un étalonnage statique ou une réponse quasi-statique à court terme pouvant durer jusqu'à quelques secondes sont souvent nécessaires, le PCB fabrique des conditionneurs de signaux qui assurent un couplage en courant continu.

La figure 5 résume la configuration complète d'un système ICP à 2 fils.

Figure 5 : Système de capteur ICP typique

En plus de leur facilité d'utilisation, les capteurs de force ICP offrent des avantages significatifs par rapport aux types de mode de charge. En raison de leur sortie à faible impédance et de leur construction solide et hermétique, les capteurs de force ICP sont bien adaptés à la surveillance continue et sans surveillance de la force dans les environnements industriels difficiles. De plus, le coût par canal des capteurs ICP est nettement inférieur, car ils fonctionnent avec un câble coaxial standard et peu coûteux, et ne nécessitent pas d'amplificateurs de charge coûteux.

La polarité de la tension de sortie des capteurs de force ICP est positive pour les mesures de force de compression et négative pour les mesures de force de tension. La polarité des capteurs de force à mode de charge PCB est tout à fait opposée : négative pour la compression et positive pour la tension. Cela s'explique par le fait que les capteurs à sortie de charge sont généralement utilisés avec des amplificateurs de charge externes qui présentent une caractéristique d'inversion. Par conséquent, la polarité de sortie du système d'amplificateur de charge est positive pour la compression et négative pour la tension, comme pour un système de capteurs ICP. (Des capteurs à polarité inversée sont également disponibles).

Les cristaux de quartz d'un capteur de force piézoélectrique génèrent une charge électrostatique uniquement lorsqu'une force leur est appliquée ou retirée. Cependant, même si la résistance de l'isolation électrique est assez importante, la charge électrostatique finira par s'échapper jusqu'à zéro par le chemin de résistance le plus faible. En effet, si vous appliquez une force statique à un capteur de force piézoélectrique, la charge électrostatique initialement générée finira par retomber à zéro.

La vitesse à laquelle la charge retombe à zéro dépend de la résistance d'isolement la plus faible du capteur, du câble et de la résistance/capacité électrique de l'amplificateur utilisé.

Dans un capteur de force en mode charge, le taux de fuite est généralement fixé par les valeurs de capacité et de résistance dans le câble à faible bruit et dans l'amplificateur de charge externe ou à source suiveuse utilisé.

Dans un capteur de force avec électronique ICP intégrée, la résistance et la capacité de l'électronique ICP intégrée déterminent normalement le taux de fuite.

Lorsqu'une force dynamique rapide est appliquée à un capteur de force piézoélectrique, la charge électrostatique est générée rapidement et, avec une constante de temps de décharge adéquate, elle ne revient pas à zéro. Cependant, il existe un point auquel une force dynamique lente devient quasi-statique et la fuite est plus rapide que le taux de changement de la force. Où se trouve le point où la force est trop lente pour que le capteur de force piézoélectrique puisse effectuer la mesure ? La réponse se trouve dans la section suivante sur la constante de temps de décharge.

La constante de temps de décharge est définie comme le temps nécessaire à un capteur ou à un système de mesure pour décharger son signal à 37% de la valeur originale à partir d'un changement progressif du mesurande. C'est le cas de tout capteur piézoélectrique, qu'il s'agisse de contrôler la force, la pression ou les vibrations. Le DTC d'un système est directement lié aux capacités de surveillance à basse fréquence d'un système et, dans le cas de la surveillance de la force, devient très important car il est souvent souhaité d'effectuer des mesures quasi-statiques.

Dans un système en mode charge, les capteurs ne contiennent pas d'amplificateurs intégrés. Par conséquent, le DTC est généralement déterminé par les réglages d'un amplificateur de charge externe. Une résistance de contre-réaction fonctionnant avec un condensateur sur l'amplificateur opérationnel détermine la constante de temps. Les amplificateurs de charge de la série 460 du PCB disposent d'un commutateur de constante de temps courte, moyenne et longue, à partir duquel le DTC est sélectionné. Il est supposé que la résistance d'isolation électrique du capteur de force et du câble de connexion à l'amplificateur de charge est supérieure à celle de la résistance de rétroaction de l'amplificateur de charge, sinon une dérive se produira. Par conséquent, pour s'en assurer, le point de connexion du capteur de force et le câble doivent être maintenus propres et secs.

Avec les capteurs ICP, deux facteurs doivent être pris en compte lors des mesures à basse fréquence. Ces facteurs sont les suivants

1.) La caractéristique de la constante de temps de décharge du capteur de force.
2.) La constante de temps de décharge du circuit de couplage CA utilisé dans le conditionneur de signal. (Si un couplage en courant continu est utilisé, seul le facteur (1) ci-dessus doit être pris en compte).

Il est important que ces deux facteurs soient bien compris par l'utilisateur pour garantir des mesures précises à basse fréquence.

Figure 6 : Courbe DTC standard

Le produit de R et C représente le DTC (en secondes) du capteur. Les constantes de temps des capteurs varient de quelques secondes à plus de 2000 secondes pour les capteurs standard. Des constantes de temps spéciales peuvent être fournies en modifiant la valeur de la résistance, R, dans l'amplificateur microélectronique intégré au capteur.

La plupart des instruments de lecture ont une impédance d'entrée élevée, >1 Mégohm. Pour ces systèmes, le DTC du capteur, tel que discuté précédemment, devient la valeur dominante et peut être utilisé pour déterminer le taux de décharge du signal. Cependant, pour les signaux couplés à des dispositifs de lecture à faible impédance, généralement <1 Mégohm, il est nécessaire de déterminer la constante de temps du système. Ceci sera expliqué plus en détail dans la section suivante.

L'alimentation externe utilisée avec un capteur de force ICP peut également être associée à un DTC. Dans certains conditionneurs de signaux ICP, qui comportent des amplificateurs tampons ou des amplificateurs de gain internes, la constante de temps est fixée par divers composants internes et peut être plus courte ou plus longue que le DTC du capteur. Dans les conditionneurs de signaux à sorties à couplage capacitif, le DTC n'est pas fixe. Dans ce cas, un condensateur utilisé pour découpler la tension de polarisation d'un capteur de force ICP agit avec l'impédance d'entrée du dispositif de lecture pour créer une autre constante de temps.

Vérifiez les spécifications du conditionneur de signal pour déterminer s'il possède un DTC interne fixe, qui définit la réponse à basse fréquence, ou s'il possède une sortie à couplage capacitif. Si la sortie est à couplage capacitif, la constante de temps, lorsqu'elle est introduite dans l'entrée de la lecture, peut être calculée comme suit :

DTC = impédance d'entrée du lecteur x valeur du condensateur de couplage de l'alimentation.

Notez que la sortie de certains conditionneurs de puissance ICP à couplage capacitif comporte une résistance shunt qui annule les effets de la résistance d'entrée du dispositif de lecture si elle est égale ou supérieure à 1 mégohm.

Le couplage AC dans le dispositif de lecture est également un type supplémentaire de DTC. Vérifiez les spécifications des conditionneurs de puissance et de l'instrument de lecture pour vous assurer qu'ils sont adaptés à votre mesure dynamique particulière. Si vous avez plus d'un CPT dans le système, une constante de temps qui est significativement plus courte que les autres sera généralement dominante. La détermination du DTC du système pour les entrées oscillantes et transitoires peut être calculée à partir de ces équations :

Le TCr, ou constante de temps de décharge de la lecture, est calculé à partir du produit du condensateur de couplage de l'alimentation de l'ICP et de l'impédance d'entrée de la lecture, en secondes. Pour éviter tout problème potentiel, il est recommandé de maintenir la constante de temps de couplage au moins 10 fois supérieure à la constante de temps du capteur. La constante de temps de décharge du capteur ICP détermine la réponse à basse fréquence du système. Elle est analogue à un filtre RC passe-haut de premier ordre. La fréquence de coupure théorique du coin inférieur (fc) est illustrée à la figure 7 ci-dessous, et peut être calculée à partir des relations suivantes :

abaissement de 3 dB : fc = 0,16/DTC
10% de réduction : fc = 0,34/DTC
Baisse de 5% : fc = 0,5/DTC

Figure 7 : Caractéristiques de transfert d'un capteur ICP

Il est souvent souhaitable de mesurer une impulsion d'entrée d'une durée de quelques secondes. Ceci est particulièrement vrai pour les applications de capteurs de force où l'on effectue un étalonnage statique ou des mesures quasi-statiques. (Avant d'effectuer des tests de cette nature, il est important de coupler en courant continu l'ensemble du système de surveillance pour éviter une perte rapide du signal. Les conditionneurs de signaux de la série PCB 484 ont un mode de fonctionnement AC/DC et sont conçus pour de telles applications).

La règle générale pour de telles mesures est que la perte du signal de sortie et le temps écoulé sur les premiers 10% d'un DTC ont une relation de un à un. Si un capteur a un DTC de 500 secondes, au cours des 50 premières secondes, 10 % du signal d'entrée original aura diminué. Pour une précision de 1%, les données doivent être prises dans les premiers 1% du DTC. Si une précision de 8% est acceptable, la mesure doit être prise dans les 8% du DTC, et ainsi de suite. La figure 8 illustre graphiquement ce phénomène.

Figure 8 : Réponse de la fonction d'échelon

S'il n'est pas modifié, le signal décroît naturellement vers zéro. Cela prendra environ 5 DTC. Vous remarquerez qu'après la suppression du signal d'impulsion d'origine, le signal de sortie descend en dessous du point de référence de la ligne de base (t0+.01 TC). Cette valeur négative est la même que celle qui s'est désintégrée à partir de l'impulsion originale. Une observation plus poussée révélera que le signal, laissé tel quel, diminuera vers le haut en direction de zéro jusqu'à ce que l'équilibre du système soit observé.

Contrairement à la réponse à basse fréquence du capteur, qui est déterminée électriquement par l'équation DTC = RC, la réponse à haute fréquence est déterminée mécaniquement à partir des composants du capteur. Chaque capteur de force a une spécification de fréquence de résonance non chargée qui doit être respectée lors de la détermination des limites supérieures de fonctionnement linéaire. La réponse linéaire des capteurs de force est généralement considérée comme étant à 20% de cette valeur de fréquence de résonance.

Une installation correcte des capteurs est essentielle pour obtenir des mesures dynamiques précises. Bien que les robustes capteurs de force à quartz PCB soient indulgents jusqu'à un certain point, certaines procédures de base doivent être respectées.

Étant donné que la plupart des capteurs de force en PCB sont conçus avec des plaques de compression en quartz pour mesurer les forces appliquées dans une direction axiale, l'alignement du capteur et des surfaces de contact pour éviter les charges de bord ou les moments de flexion dans le capteur produira de meilleures mesures dynamiques.

Le parallélisme entre le capteur et les surfaces de contact de la structure d'essai minimise les moments de flexion et les charges de bord. La planéité des surfaces de montage affectera également la qualité de la mesure. L'utilisation d'une fine couche de lubrifiant sur les surfaces de montage pendant l'installation crée un meilleur contact entre le capteur et la surface de montage.

Les surfaces de montage des capteurs de force PCB sont rodées lors de leur fabrication pour garantir qu'elles sont plates, parallèles et lisses. Les capteurs de force de type anneau sont fournis avec des rondelles antifriction pour minimiser la charge de cisaillement de la surface du capteur lors du serrage entre deux surfaces.

Le chargement de la totalité de la surface de détection du capteur de force est également important pour obtenir de bonnes mesures. Cependant, cela peut être difficile si la surface mise en contact avec le capteur de force est plate mais non parallèle à la surface de montage du capteur. Dans ce cas, une surface intermédiaire incurvée peut atténuer les effets de la charge sur les bords. (Voir la figure 9)

Figure 9 : Charge sur les bords et charge centrale

Les capteurs de force PCB série 208 sont fournis avec un capuchon d'impact incurvé convexe pour aider à répartir les forces sur toute la surface du capteur de force.

Une autre considération lors du montage des capteurs de force est d'essayer de minimiser les chocs mécaniques haute fréquence inutiles sur les capteurs. La haute fréquence des impacts directs métal contre métal peut souvent créer des surcharges de courte durée et à "g" élevé dans les structures et les capteurs. Ce problème peut être minimisé en utilisant une fine couche d'amortissement d'un matériau plus souple sur la surface d'interface entre la structure et le capteur soumis à l'impact. (Il convient d'examiner au préalable si le léger amortissement du choc à haute fréquence est critique pour les exigences de mesure de la force). La surface d'impact de la série 200 et les capuchons d'impact des capteurs de force de la série 208 sont fournis avec de fines couches de matériau amortissant.

Les capteurs de force de type anneau PCB sont généralement installés entre deux parties d'une structure d'essai avec un boulon ou un goujon élastique en cuivre au béryllium. Ce goujon maintient la structure ensemble et applique une précharge à l'anneau de force. Dans ce type d'installation, une partie de la force entre les deux structures est dérivée par le goujon de montage. Cela peut aller jusqu'à 5 % pour le goujon en cuivre au béryllium fourni avec l'instrument et jusqu'à 50 % pour les goujons en acier. Si un goujon autre que le cuivre au béryllium est utilisé, il est essentiel que les capteurs annulaires soient étalonnés à l'état préchargé pour garantir des lectures précises et une linéarité sur toute la plage de fonctionnement du capteur.

La procédure d'étalonnage interne du PCB nécessite l'installation d'un anneau de force avec un goujon en cuivre au béryllium en série avec un anneau de contrôle traçable NIST. Une précharge de 20% (plage de fonctionnement à pleine échelle de l'anneau de force), mais pas moins de 10 livres, est appliquée avant l'enregistrement des données de mesure. Laissez la composante statique du signal se décharger avant l'étalonnage.

La caractéristique de sortie des capteurs piézoélectriques est celle d'un système couplé en courant alternatif, où les signaux répétitifs diminuent jusqu'à ce qu'il y ait une zone égale au-dessus et au-dessous de la ligne de base originale. Lorsque les niveaux d'amplitude de l'événement surveillé fluctuent, la sortie reste stabilisée autour de la ligne de base, les zones positives et négatives de la courbe restant égales. La figure 10 représente un signal CA suivant cette courbe. (La sortie des capteurs fonctionnant en mode CC suit ce même schéma mais sur une période plus longue associée aux valeurs de la constante de temps du capteur).

Figure 10 : signal CA

Exemple : Supposons qu'un signal de sortie de 0 à 4 volts soit généré par une application de force couplée en courant alternatif avec une fréquence d'impulsion d'une seconde en régime permanent et une seconde entre les impulsions. La fréquence reste constante mais le signal décroît rapidement de façon négative jusqu'à ce qu'il se centre autour de la ligne de base originale (où zone A = zone B). La puissance de crête à crête reste la même.

Dans de nombreuses applications de surveillance de la force, il est souhaitable de surveiller une série d'impulsions répétitives de zéro à crête qui peuvent se produire dans un court intervalle de temps les unes des autres. Ce signal de sortie est souvent appelé "train d'impulsions". Comme nous l'avons vu précédemment, le signal de sortie couplé en courant alternatif des capteurs piézoélectriques décroît vers un état d'équilibre, ce qui donne l'impression que la force positive diminue et qu'il est difficile de surveiller avec précision un signal de sortie continu de zéro à un pic, tel qu'il est associé aux applications d'estampage ou de presse à pilules. Avec l'utilisation d'un équipement spécial de conditionnement du signal ICP, il devient possible de positionner un signal de sortie positif allant au-dessus d'un zéro basé sur le sol. Fonctionnant en mode CA sans dérive, le modèle 484B02 du PCB fournit une tension d'excitation à courant constant aux capteurs de force ICP et possède un circuit de fixation du zéro qui remet électroniquement chaque impulsion à zéro. Comme le montre la Figure 11, ce circuit spécial empêche la sortie de dériver négativement, fournissant un signal continu de polarité positive.

Figure 11 : Polarité positive, sortie CA basée sur le zéro

PCB fournit des services d'étalonnage et de test traçables au NIST (National Institute of Standards and Technology) pour tous les capteurs de force. Les procédures d'étalonnage suivent les directives acceptées recommandées par l'ANSI (American National Standards Institute) et l'ISA (Instrument Society of America). L'étalonnage des capteurs de force au PCB est conforme à la norme ISA-37-10 et respecte la norme MIL-STD-45662A. Ces normes prévoient l'établissement et la gestion de systèmes d'étalonnage complets, ce qui permet de contrôler la précision des spécifications d'un capteur en contrôlant la précision des équipements de mesure et d'essai.

Chaque capteur de force étalonné individuellement est fourni avec un certificat traçable NIST indiquant la sensibilité étalonnée. La détermination de la sensibilité des capteurs dont la plage de fonctionnement est comprise entre 22,24 et 444,8 kN (5 000 à 100 000 lbs) s'effectue en plaçant le capteur de force dans un bâti de presse hydraulique. En série avec le capteur se trouve un étalon de force de référence à anneau de preuve Morehouse sélectionné pour la plage de fonctionnement du capteur. Les anneaux de référence sont calibrés et certifiés tous les six mois pour vérifier la valeur calibrée. Un banc d'essai à échelle réduite est utilisé pour les capteurs à faible portée. Les modèles miniatures à haute sensibilité sont étalonnés en appliquant une masse légère connue, en laissant le signal s'annuler, puis en retirant rapidement la masse. La sortie enregistrée est la sensibilité du capteur. Les capteurs à mode de charge et à constante de temps plus longue sont étalonnés en appliquant statiquement une force connue et en enregistrant les données de sortie.

Dans chaque procédure d'étalonnage, les points de données sont tracés à des intervalles de 20 % de la plage de fonctionnement du capteur. Chaque point représente la moyenne de trois mesures distinctes prises dans cette plage. Ces points moyens sont représentés graphiquement et la meilleure ligne droite passant par zéro est tracée. Si les points étalonnés se situent en dehors de la linéarité spécifiée dans les spécifications publiées, l'unité échoue à l'étalonnage et est rejetée.