Les capteurs et actionneurs

Le choix de ces éléments est primordial. Si le choix n’est pas adapté, le reste du traitement ne pourra pas retrouver ou réinventer la bonne mesure.

2.2.1. Pot vibrant

Un pot vibrant, également appelé actionneur vibrant, est un dispositif électrique qui fournit en sortie une grandeur mécanique vibratoire telle qu’une force, un déplacement ou une accélération. Plusieurs technologies peuvent être utilisées pour fabriquer un pot vibrant. On distingue classiquement 4 types : les pots vibrants électrodynamiques, électromagnétiques, piézo-électriques et magnétostrictifs.

Le pot vibrant utilisé pour le dispositif est un pot électrodynamique : un Mini-Shaker type 4810 de Büel & Kjaer. Le pot vibrant est composé d’une bobine qui vient dans l’entrefer d’un aimant permanent créant ainsi un champs magnétique B. Le passage d’un courant d’intensité I, fourni par le générateur externe, à travers la bobine induit une force de Laplace. Cette force est sinusoïdale de même fréquence que la tension délivrée par le générateur. Elle induit un mouvement vibratoire de la table par l’intermédiaire d’une membrane. Le système de suspension est formé de 2 anneaux flexibles qui limitent le mouvement de l’élément à un déplacement parfaitement rectiligne. La structure laminée des anneaux induit un

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amortissement qui permet de minimiser les distorsions dues à la résonance. Ce mouvement vibratoire est transmis à l’échantillon via les mors de sollicitation. Les performances limites sont définies par un déplacement (crête à crête) maximal de 6 mm (+/- 3mm) pour une puissance de 15VA, une force nominale de 10N et une gamme de fréquence de 1 à 18000Hz (fréquence de résonance).

Le pot vibrant n’est donc pas adapté pour les très basses fréquences de sollicitation (en dessous de 1 Hz) que nous voulons couvrir. Il est d’ailleurs extrêmement difficile de trouver dans le commerce des appareils performants qui peuvent couvrir ces basses fréquences qui tendent vers le continu. Pour combler ce manque, un montage spécifique entre l’amplificateur opérationnel et le capteur de force a été réalisé afin d’asservir le pot vibrant en force pour ces très basses fréquences. Un interrupteur permet de basculer d’un mode à l’autre. Nous reviendrons plus précisément sur ce point à la fin de cette partie.

Figure II- 23 : Structure du pot vibrant

2.2.2. Capteur de force

Dans la plupart des appareils commerciaux, la force appliquée à l’échantillon est calculée à partir du signal source envoyé à l’actionneur électromagnétique. Dans notre dispositif, la force est mesurée directement grâce à un capteur de force intégré à l’axe de sollicitation (entre le pot vibrant et l’échantillon). La force réelle appliquée à l’échantillon est calculée en tenant compte de l’inertie de la partie mobile. Le capteur de force est relié à l’amplificateur opérationnel. Ce branchement permet d’asservir le pot vibrant en force (Cf. fin du chapitre). Il s’agit d’un capteur de force miniature de chez FGP Instrumentation, de type XFTC 300. Selon le niveau de force appliqué à l’échantillon, un capteur possédant une étendue de mesure de +/-10 N ou +/-20 N est utilisé. La sensibilité est d’environ 12mV/V. Il possède une grande raideur et peut résister à des surcharges (80N). Il s’agit d’un matériel miniature mais robuste.

Figure II- 24 : Schéma du capteur de force

Ce type de capteur est adapté aussi bien pour des mesures en statique qu’en dynamique. L’élément sensible est équipé de jauges gravées sur un monocristal de silicium, associées en pont de Wheatstone et compensées en température. Le pont est initialement équilibré. La variation de la contrainte au niveau des jauges entraîne une variation de la résistance du pont qui va conduire à une variation de la tension aux bornes du pont. Le capteur ne présente aucune hystérisis, paramètre indispensable aux mesures harmoniques. Une compensation en température permet de limiter l’erreur due à la dérive de l’offset. Le corps d’épreuve est réalisé en acier inoxydable.

2.2.3. Capteur de déplacement

Un capteur de déplacement sans contact est utilisé. Par rapport aux systèmes mécaniques, les capteurs de déplacement sans contact n’ont pas d’hystérésis et d’imprécision due à des mesures répétitives. La précision est limitée par le bruit, la linéarité et la qualité de surface uniquement.

Le matériel choisi est un capteur laser, de marque Bullier type M5L/4. La mesure se fait grâce à une diode laser visible (longueur d’onde 675 nm, rouge). Ce type de capteur présente l’avantage d’être peu sensible aux différences de surfaces et de couleurs ainsi que d’être insensible à l’éclairage ambiant et aux sources lumineuses externes.

Les capteurs de mesure sans contact utilisent le principe de triangulation (Figure II- 25). La sortie analogique est proportionnelle à la déviation de la mesure par rapport à la distance de travail. 8 10 36 11 M5

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Figure II- 25 : Principe de fonctionnement du laser

2.2.4. Capteur de température

Pour s’affranchir du différentiel de température existant entre le thermocryostat et le bain (pertes thermiques dues à la circulation d’un volume d’eau important), un thermocouple est directement placé au niveau de l’échantillon.

Il s’agit d’un thermocouple de type K. L’association des métaux Chromel (Nickel-Chrome)-Alumel (Nickel-Aluminium) provoque une différence de potentiel au niveau de la jonction. Cette très faible tension électrique est fonction de la température de la jonction (phénomène thermoélectrique). Les caractéristiques des métaux étant bien connues, il est facile d’établir une conversion entre la tension produite par la jonction et sa température.

Les thermocouples K sont bien adaptés aux environnements oxydant. Leur précision est de 1.5 C

± ° .