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Mesurer précisément le couple, et plus particulièrement celui des arbres en rotation, pose souvent un défi de taille ; la nouvelle technologie offre une solution plus adaptée, déclare Mark Ingham, Sensor Technology.
La précision de la mesure du couple est essentielle au développement d’un large éventail de produits, allant des turbines sous-marines des systèmes d’énergie marémotrice et nouveaux moteurs utilisés sur les véhicules électriques jusqu’aux tondeuses pour animaux et robinets de radiateur thermostatiques. Pour ce faire, plusieurs méthodes de mesure du couple ont été développées. La grande majorité d’entre elles mesure la contrainte exercée par le couple sur les éléments mécaniques, comme sur un arbre d’entraînement, et s’appuie sur cette mesure pour calculer le couple subi par l’élément.
Les approches traditionnelles de mesure de la contrainte ont été enrichies par des méthodes optiques, telles que les techniques laser et de Moiré, ainsi que plusieurs méthodes électriques, dont les techniques capacitives, inductives, piézoélectriques et résistives. Un grand nombre de ces méthodes reste, cependant, onéreux ou inadapté à une application hors laboratoire. La détection à l’aide de jauges de contrainte résistives fait exception et est largement utilisée pour cette raison.
Malgré les avantages qu’ils présentent, les jauges de contrainte résistives, toutefois, ne sont pas pour autant la panacée pour deux raisons.
La première est que les variations de la résistance, qui reflètent la contrainte enregistrée par la jauge, sont très faibles, ce qui rend difficile l’obtention d’une mesure précise et expose le système de mesure à des erreurs liées au bruit.
L’autre problème est qu’il est difficile de procéder au raccordement électrique d’une jauge de contrainte installée sur un élément en mouvement du produit testé. Il est possible de résoudre ce problème en utilisant, par exemple des bagues collectrices ou une sorte de couplage inductif à transformateur, mais ces méthodes sont à la fois onéreuses et peu pratiques. Ce problème est un obstacle redoutable car, dans nombre d’applications, l’exigence principale est de mesurer le couple d’un arbre alors que sa rotation est souvent très rapide.
Les lacunes des méthodes de mesure du couple classiques ont incité le développement d’une technologie complètement nouvelle basée sur les transducteurs à ondes acoustiques de surface. Ces derniers se composent principalement de deux fines électrodes métalliques, en forme de doigts d’interverrouillage, sur un substrat piézoélectrique tel que le quartz. Lorsqu’un signal RF de la bonne fréquence est appliqué à un tel transducteur, les ondes acoustiques de surfaces apparaissent et le transducteur sert de circuit résonant.
La caractéristique principale, cependant, est la variation de la fréquence de résonance au moment de la déformation du substrat. Si le transducteur est fixé à un arbre d’entraînement, la déformation du substrat et, par conséquent, le changement de fréquence de résonance seront liés au couple appliqué à l’arbre. Autrement dit, le transducteur devient alors une jauge de contrainte variant avec la fréquence.
Du fait du fonctionnement RF des transducteurs à ondes acoustiques de surface, il est facile de leur coupler des signaux à distance. Cela signifie que les capteurs de couple intégrant la technologie des transducteurs à ondes acoustiques de surface peuvent être utilisés sur des arbres en rotation ou autres éléments en mouvement, et peuvent fournir des données en continu sans avoir recours à des bagues collectrices et balais non fiables par nature et souvent utilisés dans les systèmes de mesure de couple traditionnels.
La technologie des transducteurs à ondes acoustiques de surface, protégée par des brevets, a permis de développer un nouveau type de transducteur de couple présentant de nombreux avantages. Ces derniers incluent une longueur d’arbre courte, ce qui signifie une rigidité élevée de l’arbre ; une faible inertie et une capacité de vitesse de fonctionnement élevée, puisque l’électronique n’est pas fixée à l’arbre ; une résolution et une précision élevées ; une excellente immunité au bruit et une capacité de résistance à la surcharge généreuse.
Les nouveaux capteurs sont capables de fournir des résultats en temps réel, et sont commercialisés dans des versions standards qui, entre elles, peuvent mesurer le couple de manière précise de 1 Nm à 13 000 Nm. Il est possible de produire des versions à capacités de couple supérieures pour répondre à des exigences spécifiques.
Bien que les transducteurs de couple à ondes acoustiques de surface ne soient qu’à leurs débuts, leur durée d’utilisation, dans une gamme d’applications suffisamment variée, a permis de prendre le recul nécessaire pour démontrer leurs avantages et leur fiabilité, même dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Plus particulièrement, les utilisateurs ont fait remarquer l’avantage important que constitue la précision des résultats fournis par les capteurs, tout comme la disponibilité de ces résultats en temps réel, d’où une visibilité immédiate des effets des modifications apportées à l’équipement testé.
On assiste actuellement à un regain d’intérêt pour le développement de nouveaux produits, alimenté par la quête d’un meilleur rendement énergétique, et la vocation des sociétés à améliorer leur position concurrentielle en innovant sur leur marché. Dans de nombreux cas, ce travail de développement implique la mesure du couple qui, comme nous l’avons vu, est désormais plus facile et plus pratique grâce à l’introduction de transducteurs de couple sans contact basés sur la technologie des ondes acoustiques de surface.
