Capteur de Couple

Comment les différents types de capteurs de couple sont-ils utilisés pour la mesure d'un couple et quelles sont les différences entre eux ? Dans cette introduction complète aux transducteurs de couple, nous décrivons les faits les plus significatifs pour mesurer un couple.

Capteurs de mesure de couple fabriqués aux États-Unis par FUTEK Advanced Sensor Technology (FUTEK), une entreprise de premier plan spécialisée dans la fabrication d'une vaste sélection de capteurs de couple, utilisant l'une des technologies les plus avancées de l'industrie des capteurs : la technologie de jauge de contrainte à feuille métallique. Elle est définie par un transducteur utilisé pour la mesure du couple (détection du couple) qui convertit un couple mécanique d'entrée en un signal de sortie électrique. Les capteurs de couple sont également communément appelés transducteur de couple, cellule de couple, testeur de couple, indicateur de couple ou capteur de moment. Il existe deux principaux types de capteurs de couple : les capteurs de couple de réaction et les capteurs de couple de rotation.

Qu'est-ce qu'un capteur de mesure de couple ?

Par définition, un capteur de mesure de couple est un type de transducteur, en particulier un transducteur de couple qui convertit une mesure de couple (réaction, dynamique ou rotative) en une autre variable physique, dans ce cas, en un signal électrique qui peut être mesuré, converti et normalisé. Au fur et à mesure que le couple appliqué au capteur augmente, le signal électrique de sortie évolue proportionnellement (détecteur de couple). Les capteurs de couple sont l'un des appareils de mesure de force et d'outils de mesure de couple sur lequel FUTEK se spécialise.

Quels sont les types de capteur de mesure de couple ?

Il existe deux catégories principales de capteurs de torsion : les capteurs de couple rotatifs et les capteurs de couple de réaction. En bref, un capteur de réaction mesure le couple stationnaire (statique ou non rotatif) tandis qu'un capteur rotatif mesure le couple de rotation (capteur de couple dynamique).

Capteurs de couple rotatif (couple dynamique ou rotatif)

Les capteurs de rotation (ou testeur de couple dynamique) sont utilisés dans les applications où la mesure du couple doit être effectuée sur un arbre de rotation, un moteur ou un moteur stationnaire. Dans ce cas, le transducteur doit tourner en ligne fixé à l'arbre. Un capteur de couple rotatif est équipé d'une bague collectrice ou d'une électronique sans fil pour transmettre le signal de couple pendant la rotation (capteur sans contact).

Les capteurs de couple rotatifs sont fréquemment utilisés comme outils de test/vérification pour les moteurs, outils de mesure de couple, pour les turbines et les générateurs afin de mesurer le couple de rotation. Un capteur de couple rotatif d'arbre à arbre peut également être utilisé pour le contrôle de rétroaction, la surveillance du couple et l'analyse de l'efficacité des bancs d'essai et pour la mesure du couple de l'arbre rotatif à l'aide d'une jauge de contrainte (c.-à-d. un analyseur de couple).

Comment mesurer le couple d'un moteur ? La mesure du couple de rotation (ou mesure du couple rotatif) est couplée entre le moteur et la charge. Lorsque l'arbre tourne, le capteur de torsion mesure le couple produit par le moteur en réponse à la charge appliquée à l'arbre rotatif. Certains capteurs rotatifs sont équipés de codeurs intégrés. Ces codeurs mesurent l'angle/la vitesse de rotation produit au cours du test. Les mesures de torsion peuvent être surveillées sur un écran numérique local (c'est-à-dire un indicateur de capteur de couple), tel qu'un écran sur panneau, un écran portatif, connecté à un API (Automate Programmable Industriel) ou diffusé sur un PC à l'aide d'un appareil USB (c.-à-d. un capteur de couple numérique).

Le capteur de couple rotatif est également un élément crucial des dynamomètres (ou dyno en abrégé), car il fournit une mesure de couple et une vitesse angulaire (en tour/min) pour calculer facilement la puissance de sortie, permettant un calcul précis des performances du moteur en Kw ou HP ainsi que son efficacité électromécanique.

Capteurs de couple de réaction (statique)

Dans certaines applications, la mesure de couple effectuée avec un capteur rotatif en ligne peut être mesurée au point où le couple est transféré au sol à l'aide d'un transducteur de couple de réaction (mesure de couple statique).

Un capteur de torsion de réaction a deux brides de montage (capteur bride à bride). Une face est fixée au sol ou à un élément structurel rigide et l'autre à l'arbre rotatif ou à l'élément rotatif. La rotation génère des forces de cisaillement entre les brides, qui sont capturées par les jauges de contrainte collées sur le corps d’épreuve et converties en courant électrique par le pont de Wheatstone.

Comment mesurer le couple de blocage d'un moteur CC ? Pour une application donnée, par ex. mesure de couple moteur, un capteur de réaction (ou capteur de moment) est souvent moins complexe et donc moins coûteux qu'un capteur rotatif. Les capteurs de couple de réaction sont fréquemment utilisés comme outil d'étalonnage de couple ou outil d'étalonnage de clé dynamométrique. Les capteurs de couple de réaction peuvent également être utilisés comme tournevis dynamométriques électriques miniatures (mini clé dynamométrique), permettant aux ingénieurs de collecter des informations en direct sur le couple et/ou d'étudier le couple appliqué lors de l'assemblage. L'industrie automobile utilise des capteurs de couple statique pour la validation et la vérification des systèmes de direction électrique et d’autres applications automobiles. FUTEK personnalise également des capteurs de couple à engrenages harmoniques à ondes de contrainte de haute précision intégrés et légers à faible encombrement pour une rétroaction en boucle fermée avec une grande flexibilité sur la géométrie et le design.

D'autres applications pour lesquelles un capteur de couple de réaction peut être utilisé :

• Testeur de couple de roulement ;

Comment fonctionne un capteur de couple ?

Comment mesurer un couple ? Tout d'abord, nous devons comprendre la physique sous-jacente et la science des matériaux derrière le principe de fonctionnement du capteur de couple, qui est la jauge de contrainte. La jauge de contrainte à feuille métallique est un composant dont la résistance électrique varie avec la force appliquée. En d'autres termes, elle convertit la contrainte dérivée de la force, de la pression (c'est-à-dire des capteurs de pression industriels pour la mesure de la pression), de la tension, de la compression, du couple, du poids (c'est-à-dire des capteurs de poids), etc. en une variation de résistance électrique, qui peut ensuite être normalisé pour mesurer le couple.

Structurellement, un capteur de torsion de réaction est constitué d'un corps métallique (également appelé corps d’épreuve) auquel sont collées des jauges de contrainte en feuille. Le corps du capteur est généralement fait d'aluminium ou d'acier inoxydable, ce qui donne au transducteur deux caractéristiques importantes : (1) fournit la robustesse pour résister à des couples élevés ; et, (2) a l'élasticité de se déformer au minimum et de revenir à sa forme d'origine lorsque le couple est supprimé. Les capteurs de torsion sont couramment utilisés dans les testeurs de torsion.

Lorsque le couple est appliqué (dans le sens horaire ou antihoraire), le corps métallique agit comme un « ressort » et est légèrement déformé, et à moins qu'il ne soit surchargé, il reprend sa forme d'origine. Au fur et à mesure que le capteur se déforme, la jauge de contrainte change également de forme et par conséquent de résistance électrique, ce qui crée une variation de tension différentielle à travers un circuit en pont de Wheatstone. Ainsi, le changement de tension est proportionnel au couple appliqué au transducteur, qui peut être calculé via la sortie de tension du circuit du capteur de couple.

Dans un capteur de couple rotatif, la jauge de contrainte est collée sur l'arbre rotatif qui se déforme légèrement lorsque le couple est appliqué. La déviation de l'arbre induit une contrainte dans la jauge de contrainte qui modifie sa résistance. Une combinaison de jauges de contrainte (généralement 4) est disposée dans un circuit électrique, l'amplificateur à pont de Wheatstone, qui convertit les variations de résistance en une sortie de tension, qui peut être étalonnée et mesurée.

Les capteurs de couple rotatifs sont conçus pour mesurer le couple d'un arbre rotatif. Il est donc nécessaire de transférer de la puissance au pont de jauge de contrainte, ainsi qu'un moyen pour recevoir le signal du couplemètre rotatif ou de l'arbre. Cela peut être accompli en utilisant des bagues collectrices, un système de télémétrie sans fil ou des transformateurs rotatifs. En option, les capteurs peuvent également intégrer un codeur pour la mesure de l'angle ou de la vitesse.

Les capteurs doivent être soigneusement conçus en cherchant à éliminer les charges transversales (également appelées charges latérales ou moments parasites) et ne doivent être sensibles qu'aux couples de serrage dans le sens antihoraire. La sortie du capteur est une fonction de la force et de la distance (T=F x d), et est généralement exprimée en pouces-livres (in-lb)., pieds-livres (ft-lb) ou Newton-mètres (N.m).

Pour plus d'informations, regardez notre webinaire sur le fonctionnement des capteurs de couple.

Comment choisir un capteur de couple pour votre application ?

Une question fréquemment posée est : « Quel est le bon capteur pour mon application ? « La raison pour laquelle cela est demandé si souvent est qu'il peut être difficile de naviguer parmi les différentes offres de capteurs sur le marché. Donc, que ce soit un petit capteur de couple ou un capteur de couple de grande capacité (pas un potentiomètre à cordes), assurez-vous de suivre les étapes ci-dessous pour un dimensionnement adéquat du capteur de couple.

Pour vous aider à choisir votre capteur de couple, FUTEK a développé un guide en 4 étapes facile à suivre. En voici un aperçu pour vous aider à affiner vos choix. Consultez notre guide complet Comment choisir un capteur de couple» pour plus d'informations.

• Étape 1 : Comprenez votre application et ce que vous voulez mesurer ou contrôler. Tout d'abord, comprenez votre application et définissez le type de couple que vous souhaitez mesurer — s'agit-il d'un couple de réaction, d'un couple de rotation, ou avez-vous besoin d'un capteur 2 axes couple et force ? Par ailleurs, quel est l'environnement (température, pression, humidité). L'application peut nécessiter des capteurs de couple sous-marins accompagnés d'un capteur de pression. Les capteurs de couple sont largement utilisés dans l'industrie automobile pour les tests et la validation de produits (capteur de couple automobile).
• Étape 2 : Définissez les caractéristiques de montage du capteur et son assemblage. Comment allez-vous monter le capteur ? (Bride à bride, entraînement carré, arbre à arbre, entraînement hexagonal, etc.) Allez-vous l'utiliser dans le sens horaire, antihoraire, ou les deux ?
• Étape 3 : Définissez votre capacité minimale et maximale et vos exigences clés. Assurez-vous de sélectionner la capacité par rapport au couple de fonctionnement maximal et de déterminer toutes les charges externes (charges latérales ou charges décentrées) et les moments avant de sélectionner la capacité. De plus, quel est votre TPM max requis ? Avez-vous besoin de mesurer la vitesse et la position angulaire ?
• Étape 4 : Définissez le type de sortie dont votre application a besoin. Certains capteurs émettent un signal mV/V, qui peut être couplé à un amplificateur délivrant un signal ±10V en courant continu, tandis que d'autres capteurs rotatifs sans contact fournissent une sortie de ±5V en courant continu. Donc, si votre API ou DAQ nécessite une sortie analogique, une sortie numérique ou une communication série, vous aurez besoin d'un amplificateur de capteur de couple ou d'un conditionneur de signal. Assurez-vous de sélectionner le bon amplificateur de jauge de contrainte et d'étalonner l'ensemble du système de mesure (capteur + conditionneur de signal). Cette solution clé en main se traduit par une compatibilité et une précision accrues de l'ensemble du système de mesure du couple.

REMARQUE : Pour certaines applications spéciales, la mesure du couple peut être effectuée à l'aide d'une cellule de charge.

FUTEK dispose de types spéciaux de module de conditionnement de signal universel qui prennent en charge une large gamme d'entrées de capteur telles que les entrées de type impulsions d'encodeur ± 10 V en courant continu, 0-20 mA, ±400 mV/V et TTL. Le module de conditionnement de signal universel USB520 USB peut être couplé à différents types de capteurs et élimine le besoin d'alimentation externe du capteur et de l'équipement d'affichage. Le module est alimenté par PC via un câble USB, fournissant une tension d'excitation de 5 à 24 V en courant continu au capteur et simultanément 5 V cc pour les codeurs.

Pour plus de détails sur notre guide en 4 étapes, veuillez consulter notre guide complet « Comment choisir un capteur de couple ».