La présente invention a pour objet un capteur à jauges de déformation destiné à mesure une force et notamment un capteur de pesage destiné à mesurer le poids.

Les capteurs à jauges de déformation et notamment les capteurs de pesage sont présents dans un grand nombre de domaine : balance de supermarché, industrie automobile, industrie alimentaire (remplissage... ), industrie du transport...

De tels capteurs se composent généralement d’un corps d’épreuve sur lequel sont appliquées la ou les jauges de déformation (abusivement appelée jauge de contrainte mais c’est la déformation qui est mesurée pour connaître la contrainte). Le corps d’épreuve est habituellement en acier ou en aluminium et subit les déformations au cours de la mesure : le corps d’épreuve présente un comportement élastique minimum de sorte qu’il se déforme légèrement lorsqu’il est soumis à une charge et reprend sa position initiale quand cette charge est retirée. Les jauges de déformation sont des grilles de mesure constituées d’un matériau conducteur photogravé sur un support spécifique, choisi en particulier pour ses propriétés de déformations. Lorsque le support est étiré, les grilles de mesure s’allongent et la résistance augmente, lorsque le support se comprime, les grilles se rétractent et la résistance diminue. Cette variation de résistance permet de déterminer la contrainte appliquée sur le support. Le support de jauge est collé sur le corps d’épreuve et subit donc les mêmes déformations que celui-ci.

Les jauges sont en général disposées sur le corps d’épreuve dans la zone où il y a le plus de déformations. Elles peuvent être agencées et câblées selon plusieurs agencements :

• pont complet de Wheatstone : quatre jauges de résistance équivalente dont deux sont sollicitées en traction et deux en compression ; • demi pont, où deux jauges seulement sont des éléments sensibles (une en traction, une en compression), les deux autres sont des résistances fixes ; et

• quart de pont : une seule jauge est un élément sensible pour trois jauges fixes.

Dans un capteur de pesage, le poids est déterminé en suspendant ou en appliquant une charge sur le corps d’épreuve. Contrairement aux autres capteurs, la charge appliquée sur un capteur de pesage doit toujours être alignée dans le sens de la pesanteur. Plusieurs types de capteurs de pesage sont connus : capteur à point d’appui central ; capteur en flexion ; capteur en compression et capteur en traction.

Selon l’application, le capteur de pesage et le corps d’épreuve en particulier peut avoir un design particulier ou des caractéristiques de matériau spéciales. Les capteurs analogiques doivent être raccordés à un amplificateur de mesure, tandis que les capteurs numériques possèdent une électronique intégrée qui peut traiter les résultats de mesure reçus des jauges de déformation et rendre disponibles ces résultats dans un format déterminé.

L’environnement dans lequel est placé le capteur joue un rôle important. En particulier, la température a une influence importante sur la mesure. Le corps d’épreuve et les jauges de déformation s’allongent et se rétractent en réponse au chaud et au froid. La résistance électrique des matériaux conducteurs varie également avec la température. La dérive thermique en l’absence de contraintes est imprévisible selon le capteur et intrinsèque au pont de jauges utilisé. Elle est déterminée par des essais pratiques à diverses températures. Pour compenser la dérive thermique à vide (sans contrainte), une résistance (générant une dérive contraire à celle mesurée lors des essais) est ajoutée dans une branche du pont de jauges (branche choisie selon le sens de la dérive). Cette résistance peut par exemple être un bobinage de cuivre. Les écarts de sensibilité dus à la température ambiante lors de mesures sont dus aux matériaux utilisés pour le corps d’épreuve et le support de jauge. Ces écarts peuvent être également quantifiés lors d’essai de mesure. Un montage des jauges de déformation en pont complet de Wheatstone atténué les écarts. Il est également possible d’ajouter dans chaque branche d’alimentation du pont de jauges une résistance, par exemple en Nickel. Ces résistances vont modifier la tension d’alimentation aux bornes du pont de jauges de manière à compenser les écarts de sensibilité dus à la température.

Pour déterminer les résistances à ajouter au pont de jauges pour compenser les effets de la température sur le capteur, il est nécessaire de tester le capteur dans des conditions de température variables (par exemple entre -10° et + 40°). Les dérives thermiques à vide et en mesure sont ainsi déterminées, puis les résistances nécessaires à compenser ces dérives. Pour installer les résistances destinées à compenser ces dérives thermiques, il est nécessaire de rouvrir le capteur. Ce travail est entièrement manuel et demande donc du temps et de la minutie, notamment car les résistances à ajouter sont de petites tailles dans un montage qui requiert une grande précision, surtout dans le cas d’un capteur de pesage pour lequel l’exigence de précision est très élevée.

De plus, les effets dérives thermiques sont en générale déterminées par des mesures stabilisées, c’est-à-dire des mesures effectuées lorsque le capteur a atteint une température uniforme (ce qui peut prendre quelques heures). Or, certaines applications, comme les doseuses rotatives pour le remplissage, nécessitent des cycles de nettoyage à haute température, cycles qui soumettent le capteur de force à des variations de température importantes sur un temps très court. Durant ces phases transitoires, lorsque le capteur n’a pas atteint une température uniforme mais est soumis à des variations rapides de température, la compensation analogique par ajout d’éléments résistifs sera moins précise car ses éléments n’ont pas le même temps de réponse aux variations de température que le corps d’épreuve et les jauges de déformation. En phases de température transitoire, avec la compensation analogique par ajout d’éléments résistifs telle que décrit ci-dessus, on peut observer une dérive temporaire de la mesure.

Le but de la présente invention est donc de fournir un capteur de force à jauges de déformation, notamment un capteur de pesage, dans lequel les effets parasites dus à la température sont compensés et corrigés, à vide et pendant la mesure, de manière simple et précise, sans qu’il soit nécessaire de rouvrir le capteur pour installer des résistances supplémentaires destinées à compenser les dérives thermiques. Un autre but de la présente invention est de fournir un capteur de force à jauges de déformation adaptés à des utilisations dans lesquelles le capteurs est soumis à des variations de températures importantes sur des temps courts.

La présente invention a pour objet un capteur de force selon la revendication 1.

La figure 1 est une vue schématique en coupe d’un capteur de force selon une forme d’exécution de la présente invention.

Dans la forme d’exécution illustrée à la figure 1 , le capteur de force selon l’invention est un capteur de pesage 1 à point d’appui central. Le capteur de pesage 1 comprend notamment un corps d’épreuve 2, qui, dans la forme d’exécution illustrée, est de forme essentiellement parallélépipédique.

Le corps d’épreuve 2 comprend une cavité de jauge 3 dans laquelle se trouve au moins une mais de préférence quatre jauges de déformation 4, agencées de manière à former un pont de Wheatstone. Les jauges de déformation 4 peuvent être de tout type approprié et ne seront pas décrites plus en détail.

Dans la forme d’exécution illustrée, le capteur de pesage 1 est un capteur numérique et le corps d’épreuve 2 comprend en outre une carte électronique d’acquisition 5 placée dans ou sur le corps d’épreuve 2 et destinée à traiter les informations reçues des jauges de déformation 4 et à rendre disponibles des résultats dans un format approprié, ou encore à convertir le signal analogique en signal numérique. Pour cela, les jauges de déformation 4 sont reliées à la carte électronique 5 et celle-ci comprend un câble de sortie et d’alimentation 6 pour son alimentation et la mise à disposition des résultats de mesure.

Selon l’art antérieur, la méthode pour compenser et corriger les dérives dues à la température consiste à :

• déterminer ces dérives par une série d’essais de mesures à différentes températures, à vide et sous contrainte ;

• ouvrir le capteur et ajouter sur une ou plusieurs des branches câblant les jauges de déformation 4 une résistance choisie pour compenser les dérives mesurées.

Comme on l’a vu, cette méthode est longue et nécessite de rouvrir le capteur et d’installer des résistances très petites dans une construction très minutieuse.

Selon l’invention, le capteur de pesage 1 comprend donc un premier capteur de température 7 placé dans la cavité de jauge 3 au plus près des jauges de déformation 4 et relié à la carte électronique d’acquisition 5. Le premier capteur de température 7 est donc agencé pour capter la température dans la cavité de jauge 3 au plus près des jauges de déformation 4 et transmettre cette information à la carte électronique d’acquisition 5. De préférence, ce premier capteur de température 7 est une thermistance du type CTN (coefficient de température négatif) dont la résistance diminue, de façon relativement uniforme, quand la température augmente, et vice-versa. Cette thermistance CTN est soudée de préférence au circuit de raccordement des jauges dans la cavité de jauge 3. L’avantage d’un tel capteur est qu’il n’est pas nécessaire d’ajouter un fil supplémentaire pour la liaison entre le premier capteur de température 7 et la carte d’acquisition 5, un fil du pont de jauges 4 pouvant être utilisé (par exemple, le câble Ov). La valeur pour la température est obtenue par une mesure de la tension aux bornes de la résistance CTN montée en pont diviseur avec une résistance montée sur la carte électronique d’acquisition 5. Si nécessaire, une linéarisation de la mesure sera effectuée par exemple par une correction polynomiale d’ordre 4 ou 5. En variante, tout type de capteur permettant de déterminer une température peut être utilisé comme premier capteur de température 7.

Dans la forme d’exécution illustrée, un second capteur de température 8 est quant à lui placé sur ou à proximité immédiate de la carte électronique d’acquisition 5 et est agencé pour capter la température de cette carte. Le second capteur 8 est également relié à la carte électronique 5 pour transmettre les données de température à ladite carte. Ce capteur peut être de tout type approprié.

Dans la forme d’exécution illustrée, la carte électronique d’acquisition 5 reçoit des mesures des jauges de déformation 4, et des premier et second capteurs de température 7, 8. Elle est agencée pour traiter ces mesures et rendre disponibles un résultat via son câble d’alimentation et sortie 6.

Pour compenser les dérives thermiques du capteur de pesage 1 selon la forme d’exécution illustrée, on commence par une série d’essais à différentes températures (-10° à +40° par exemple) pour déterminer les dérives dues à la température. Sur la base de ces essais, on programme ensuite dans la carte d’acquisition 5, l’équation adéquate pour corriger la mesure et compenser ces dérives en fonction des informations fournies par les premier et second capteurs de température et les jauges de déformation.

Ainsi, il n’est pas nécessaire de rouvrir le capteur de pesage 1 après son montage final, la compensation des dérives thermiques se faisant par un algorithme dans la carte d’acquisition 5. De plus, la précision de la compensation est augmentée puisque celle-ci n’est plus physique (choisir, couper et installer une résistance avec les bonnes propriétés dans une branche du pont de jauges, opérations qui dépendent de l’expérience de l’opérateur) mais entièrement numérique : calcul exact en fonction des mesures des capteurs de température et des jauges de déformation.

Le capteur de pesage 1 permet donc de compenser les dérives thermiques de façon très précise sans alourdir le processus de fabrication du capteur, en allégeant même les étapes d’étalonnage finales. En effet, on réalise ainsi un capteur de pesage numérique qui permet de limiter les effets de la température de manière simple, efficace et précise. On distingue trois phénomènes distincts qui produisent une dérive de la mesure :

• La température absolue a un effet sur le signal ;

• Les variations de température de l’environnement ont effet sur le signal. Ces variations peuvent être brusques et importantes ou plus graduelles ;

• La mise sous tension et donc, la chauffe de la carte électronique 5 a un effet sur la température. Ce dernier phénomène prend une ampleur significative avec des technologies de communication comme Ethernet qui consomment plus et donc dissipent plus de chaleur.

La présence d’un capteur de température au plus près des jauges de déformations permet de déterminer l’amplitude des deux premiers phénomènes ci- dessus tandis que le dernier phénomène est caractérisé par le capteur de température à proximité de la carte d’acquisition. Les différents filtres et algorithmes programmés pour traiter le signal de mesure permettent ensuite de limiter et compenser par le calcul numérique les effets de la température.

En particulier, pour un capteur de pesage utilisé sur une chaîne d’emballage ou de remplissage dans laquelle des nettoyages réguliers à haute température sont nécessaires, la présente invention permet de déterminer les changements de température même transitoires alors que le corps d’épreuve n’a pas atteint une température uniforme. En effet, que ce soit avec le premier capteur seul ou avec le second capteur placé à proximité de la carte d’acquisition, il est possible d’identifier les changements de températures rapides et d’adapter la compensation en conséquence.

Dans la forme d’exécution illustrée, le capteur de force comprend deux capteurs de température. En variante, un ou plusieurs autres capteurs de température pourraient être disposés sur le corps d’épreuve du capteur pour affiner encore le calcul de compensation. Un capteur pourrait ainsi être dédié à la mesure de la température ambiante.

Dans la forme d’exécution illustrée, le capteur de force selon l’invention est un capteur de pesage. En variante, tout autre capteur à jauge de déformation pourrait être envisageable.

Dans la forme d’exécution illustrée, le capteur de pesage est un capteur à point d’appui centrale avec un corps d’épreuve essentiellement parallélépipédique. De plus, les jauges de déformation sont logées dans une cavité que comprend le corps d’épreuve. En variante, d’autre type de capteur de pesage sont envisageables avec d’autres formes de corps d’épreuve (par exemple, capteur de pesage en compression avec corps d’épreuve cylindrique). De même, les jauges de déformation sont en générale montées sur le corps d’épreuve par tout moyen approprié et ne sont pas forcément logées dans une cavité du corps d’épreuve.

De manière générale, la présente invention a pour objet un capteur à jauge de déformation, notamment un capteur de pesage, comprenant un corps d’épreuve et au moins une jauge de déformation montée sur le corps d’épreuve. Selon l’invention, le capteur comprend en outre un premier capteur de température agencé sur le corps d’épreuve au plus près de la jauge de déformation.

De préférence, le capteur de force comprend quatre jauges de déformation formant un pont de Wheatstone.

De préférence, les jauges de déformation sont logées dans une cavité du corps d’épreuve.

De préférence, le capteur comprend en outre une carte électronique d’acquisition à laquelle sont reliés la ou les jauges de déformation et le premier capteur de température et destinée à transformer le signal analogique des jauges et du premier capteur de température en signal numérique.

De préférence, la carte d’acquisition électronique est montée sur ou dans le corps d’épreuve. De préférence, le capteur de force comprend en outre un second capteur de température placé sur ou à proximité immédiate de la carte d’acquisition électronique et relié à cette dernière.

De préférence, la carte d’acquisition électronique est destinée à traiter les mesures fournies par les jauges de déformation et les premier et second capteurs de température pour compenser les effets de la température sur le capteur et fournir une mesure pondérée et précise.