Fabrication d'un capteur de force résistif

Conception
En fonction de l'application, le type (poutre de flexion, colonne, poutre de cisaillement, etc.) est choisi. La plage de charge et le rendement sont des facteurs importants à prendre en compte lors du choix du matériau à utiliser. Bien que l'aluminium soit utilisé pour des plages de charge inférieures, l'acier est préféré pour des charges plus élevées. Pour les applications de pesage, on utilise des capteurs de force de flexion. Les cellules de charge de traction sont utilisées dans les emballeuses automatiques pour mesurer les forces de traction. Des cellules de charge à colonne ou à poutre de cisaillement de grande capacité sont utilisées pour les ponts-bascules / balances à camion.

Un logiciel de conception de cellules de charge réduit considérablement le travail. La plupart des logiciels fournissent des dimensions pour la partie la plus critique du capteur de force. Pour les cellules de charge à cisaillement, l'épaisseur de la bande est la plus critique. Pour les cellules de charge de colonnes, la largeur et la largeur des colonnes sont importantes. Et pour les cellules de pesage binoculaires, l’épaisseur de la partie la plus mince du profil & la distance entre les trous sont importants.

L'approvisionnement en matériel
L'achat de matériel comprend l'achat de métal (acier ou aluminium), de jauges de contrainte (classe de transducteur), d'adhésif de liaison, de bornes, de circuits imprimés, de câbles, de soufflets, d'éléments de fixation et de plaques signalétiques.

Les jauges de contrainte sont sélectionnées en fonction de l'application; linéaire ou cisaillement. Les jauges de contrainte sont disponibles dans différentes tailles telles que 3 mm, 6 mm, etc. Des jauges de contrainte peuvent être achetées auprès de tous les fabricants réputés tels que HBM, Micro-Mesures (MM), Shinkoh, BLH, etc. Adhésif de collage et accessoires correspondants tels que terminaux , des fils pour le câblage interne, des presse-étoupes, etc. sont également achetés. Un câble multiconducteur revêtu de téflon (4 conducteurs ou 6 conducteurs) avec le code de couleur correct (rouge, noir, blanc, vert, jaune et bleu) est fourni par le fournisseur approprié. Les câbles doivent être testés pour la continuité et la qualité des brins dans les noyaux. Les brins doivent être enduits d'argent et flexibles.

L'alliage de section droite (circulaire ou carrée ou rectangulaire) est sélectionné de manière à minimiser le gaspillage de matière. La plupart des fabricants préfèrent utiliser les sections circulaires de la norme EN24 pour les capteurs de force en acier. La prochaine étape consiste à tester la composition chimique du métal et les fissures internes (ultra-sons) auprès d'un prestataire de services de tests réputé. Les alliages non conformes aux normes de l'industrie sont rejetés. De plus, les matériaux présentant des fissures internes ne peuvent pas être utilisés pour la fabrication des capteurs de force.

Usinage et traitement thermique
L'usinage de la matière première à la forme requise est effectué avec beaucoup de soin. Les machines couramment utilisées sont la machine de formage, la fraiseuse, le tour, la perceuse à colonne et la rectifieuse plane. Les machines doivent être dans de bonnes conditions de travail et capables de produire des dimensions précises. Le bon liquide de refroidissement est utilisé à toutes les étapes pour éviter un échauffement excessif pendant le processus. Les dimensions sont vérifiées à chaque étape à l'aide d'instruments de mesure de précision tels que jauge de hauteur, vernier numérique, jauge de profondeur, micromètre, etc. à une précision de 1 micron. Le matériau en cours de fabrication (acier) est huilé pour éviter l'oxydation. La rectification de surface est la dernière étape de l'usinage, elle est effectuée après le processus de durcissement.

Seuls les éléments en acier sont soumis au processus de durcissement dans une installation de traitement thermique. Les éléments sont chauffés lentement à une température élevée et refroidis rapidement dans un bain d'huile, puis refroidis dans un bain d'eau. Le harnais est testé dans un testeur de dureté Rockwell. La valeur de dureté doit être comprise entre 40 et 45 HRC. Si la valeur est inférieure à 45, les éléments doivent être durcis à nouveau ou si la valeur est supérieure à 45, les éléments seront adoucis. Certains lots d'acier ne durcissent pas à la valeur requise, les éléments doivent être rejetés dans de tels cas.

La rectification de surface atteint deux objectifs; dimensions précises et finition de surface lisse. Le matériel enlevé dans le processus est généralement de quelques microns. Les éléments subissent un dernier tour d'ébavurage et sont prêts pour la prochaine étape.

Galvanoplastie
Le zingage était couramment utilisé au cours des années précédentes. Toutefois, au cours des deux dernières décennies, le nickel autocatalytique est le revêtement de protection préféré, car il offre une bonne protection et confère une esthétique esthétique aux éléments. Les éléments subissent un processus appelé polissage pour améliorer l'état de surface. Ensuite, il est nettoyé et rincé dans des produits chimiques pour éliminer la graisse et autres matières. Les éléments sont maintenus dans un bain chimique pendant une période déterminée au cours de laquelle le nickel adhère aux éléments. La dernière étape est le polissage qui est fait pour améliorer l'esthétique.

Jauge de contrainte de liaison et câblage interne
C’est une étape cruciale de la fabrication des capteurs de force. Sur l’élément, la surface sur laquelle la jauge de contrainte doit être fixée est préparée en la polissant avec de l’eau émeri en mouvement circulaire. À l'aide d'une jauge de hauteur et d'une plaque de surface, les réticules sont dessinés pour marquer la position précise de la jauge de contrainte sur les côtés opposés de l'élément. La surface de la jauge de contrainte est nettoyée à fond à l’aide d’agents chimiques tels que le trichloréthylène (TCE) et l’acétone. Des produits chimiques de substitution sont utilisés à la place du TCE depuis son interdiction dans de nombreux pays.

Une fois que l'élément est exempt de graisse et d'autres impuretés, un adhésif est appliqué sur le réticule (correspondant à la surface approximative occupée par la jauge de contrainte). L'adhésif est également appliqué sur la face inférieure des jauges de contrainte et des bornes de soudure et est laissé reposer pendant quelques minutes. Il est important d'appliquer juste la bonne quantité.

Au microscope, la jauge de contrainte est positionnée en alignant les marques sur le réticule, puis collée pour la maintenir en place. Le ruban adhésif utilisé est d'une qualité spéciale capable de résister à des températures de l'ordre de 250 degrés Celsius pendant environ 2 heures. Avec des jauges de contrainte à certains endroits, les coussinets de pression et les pinces sont fixés. Ceci est fait pour arrêter le mouvement et également maintenir une épaisseur uniforme d'adhésif entre la jauge de contrainte et l'ampoule; élément. Une fois les pinces en place, les éléments sont placés dans un four électrique (avec ventilateur) et chauffés à environ 180 degrés pendant environ une heure. Le processus est généralement appelé traitement. La température et la durée du traitement thermique dépendent de l'adhésif utilisé. Les éléments nécessitent environ 12 heures pour se refroidir à la température ambiante et devraient se produire naturellement. Après durcissement, les pinces et les rubans adhésifs sont retirés. Les éléments subissent un autre traitement thermique appelé post-cure. Ceci est fait pour éliminer les jauges et les adhésifs.

La prochaine étape consiste à souder des bornes de jauge de contrainte pour souder des languettes et à fixer des fils pour créer un circuit de sorte que les jauges de contrainte soient en configuration de pont de Wheatstone. Des stations de soudage haut de gamme (à température contrôlée) avec des pannes spéciales sont utilisées pour ce travail. Le câblage interne se termine sur un petit circuit imprimé auquel le câble multiconducteur est relié. À ce stade, nous avons un capteur de charge en état de fonctionnement. Un test de base est fait; Une mesure de 10 V CC (ou 12 V CC) est mesurée à l'aide d'un multimètre avec un compte minimal de 0,1 V et une sortie à vide ou nulle est notée. La charge est appliquée dans le bon sens pour vérifier si la sortie est positive. Idéalement, aucune charge n'est ajustée à -0,25 mV.

Compensation de température
Les cellules de charge doivent se comporter de manière cohérente dans une plage de température spécifiée d'environ 0 à 60 degrés centigrades. Pour ce faire, les cellules de charge sont étudiées à 0 ° C et à 60 ° C pendant 6 à 12 heures. Sur la base des différences de sortie, une longueur de fil en alliage spécial est introduite dans le circuit pour contrer l’effet de la température. Une deuxième série d'essais de température est exécutée pour s'assurer que le comportement de la cellule de pesée est constant dans la plage comprise entre 0 ° C et 60 ° C. Avec les récents développements dans la technologie des jauges de contrainte, les jauges de contrainte auto-compensatrices ont éliminé un stade de la fabrication des cellules de charge. Cependant, les entreprises soucieuses de la qualité vérifient le comportement des capteurs de pesage à différentes températures.

Test de charge et calibration
Au cours de cette étape, les cellules de charge sont soumises à une multitude de tests: rendement à pleine échelle, répétabilité, linéarité, fluage, hystérésis, etc. La sortie de la cellule de charge est réglée sur 20 mV (ou 10 mV, 30 mV selon les spécifications) à la charge nominale. Les cellules de charge sont également soumises à des tests de surcharge afin de s’assurer qu’elles supportent 150% de la charge nominale.

Test de répétabilité: La cellule de charge est soumise à un nombre de tests de pleine échelle (et à une charge partielle également) et la sortie est notée à chaque instance de chargement. La sortie doit être comprise dans le niveau de précision revendiqué.

Test de linéarité: la cellule de charge subit des incréments & chargement décrémentiel et sortie notée à chaque instance. Le graphique charge par rapport à la sortie doit être une ligne droite.

Test de fluage: La cellule de charge est chargée à pleine échelle pendant une période prolongée, disons une heure, et la sortie est observée. Idéalement, le rendement ne devrait ni augmenter ni diminuer.

Scellage hermétique
C'est l'étape finale où le capteur de force est protégé contre la poussière, l'humidité et l'eau. Certains capteurs de pesage bas de gamme ne sont pas scellés hermétiquement pour des raisons de coût. Les cellules de charge plus grandes (capacités supérieures) sont recouvertes d'une peinture époxy pour une protection supplémentaire. Le dynamomètre est à nouveau testé pour s'assurer que le revêtement extérieur ou le soufflet n'a pas d'incidence sur le comportement de la charge.

Chaque capteur de pesage est fourni avec une fiche technique comportant le numéro de série, la date de fabrication, le code couleur du câble, les dimensions extérieures et les paramètres électriques tels que la tension d'excitation, l'entrée & impédance de sortie, sortie à vide, capacité nominale, sortie pleine échelle, sensibilité, etc.