Dynamomètre 1

DynamomètreUn dynamomètre est un appareil de mesure d'une force ou d'un couple. Il utilise un ressort (cas d'un modèle simple)dont on connaît la raideur définie par le module d'élasticité, ou une cellule à jauge de déformation. Le peson est sonnom d'origine.L'unité de force est le newton (symbole N) du nom du découvreur de la théorie de la gravitation universelle, IsaacNewton. Les multiples les plus usités sont le décanewton (daN, unité voisine en valeur du kilogramme-force) et lekilonewton (kN). La dyne (symbole dyn) est une ancienne unité de force.Aujourd'hui la plupart des dynamomètres sont numériques et tendent à remplacer les modèles mécaniques, que cesoit en recherche-développement ou en contrôle qualité.

Dynamomètre mécanique

Schéma de principe d'un dynamomètre à ressort.

Les dynamomètres mécaniques utilisent directement le principe de laloi de Hooke. En effet, puisqu'un ressort idéal suit une relation de type

, on peut en déduire la valeurd'une force par mesure de l'allongement d'un ressort étalonné(c'est-à-dire dont on connaît la raideur). Parmi les dynamomètresmécaniques les plus connus, on peut mentionner les pesons, et ledynamomètre de Poncelet (utilisé au XIXe siècle pour la police duroulage).

Dynamomètre numérique

Un dynamomètre numérique est un instrument (portable ou fixe)composé d'un capteur de force, d'un dispositif électronique et d'unafficheur.Le capteur de force est le cœur du système. Il peut être assimilé à un ressort qui se déforme en fonction de la forceappliquée. Lorsque ce capteur se déforme, les jauges de déformation mesurent les contraintes appliquées et émettentune tension électrique proportionnelle à la force. L'électronique du dynamomètre interprète alors cette tension pourl'afficher en unités de force.

ExtensométrieLes jauges de déformation sont des résistances dont l'augmentation de résistance électrique varie avec l'allongementdans une direction donnée. On les fixe directement sur le ressort et l'on mesure leur résistance grâce à un pont deWheatstone. Les mesures sont aujourd'hui possibles jusqu’à une fréquence de 8 MHz, mais il faut une compensationen température, et le comportement à long terme laisse à désirer par suite du fluage. On distingue généralement :•• les jauges à conducteur : l'allongement et la striction augmentent la résistance électrique ;• les jauges à semi-conducteur : la résistance électrique spécifique augmente avec l'allongement par développement

d'efforts internes (effet piézoresistif). De telles jauges sont plus sensibles que les jauges tradtionnelles.

Dynamomètre 2

Mesure par effet magnétostatiqueL'état de contrainte dans un métal modifie de façon déterminée sa perméabilité magnétique µ (magnétostrictioninverse). En pratique, on détecte cette variation par celle du champ magnétique créé entre les bobines primaire etsecondaire d'un transformateur.

Ce capteur supporte des charges importantes. Cette technique, brevetée en 1954, est utilisée dans des capteurscommercialisés par ABB sous le nom de Pressductor[1].

Mesure par effet piézoélectriqueDans un insert piézo-céramique, l'application d'une force engendre une charge électrique Q proportionnelle à laforce.

On peut fabriquer des capteurs piézoélectriques très durs, et mesurer grâce à eux des variations à très haute fréquence(au delà de 100 kHz). Dans les essais statiques ou quasi-statiques, il faut veiller à la stabilité du point d'applicationdes forces. On peut enregistrer les tensions planes en utilisant un tri-couches de céramiques avec une orientationprécise de chaque couche.

Mesure par compensation électromagnétiqueLe principe est ici celui du haut-parleur : une bobine mobile est immergée dans un champ magnétique. Unasservissement avec un capteur de déplacement maintient la bobine en position, et le courant induit dans la bobineest proportionnel à la force s'exerçant sur elle. Par l'expression générale de la force de Lorentz on a ainsi :

avec : B intensité du champp magnétique, i courant électrique induit, l longueur effective du conducteur.Ces capteurs ne permettent cependant de mesurer que de petites forces (max. 20…30 N) et sont pour cette raisonplutôt utilisés dans les balances de précision.

Mesure par corde vibranteLa période de vibration d'une corde tendue dépend de sa tension T selon la formule de D’Alembert :

avec : mb masse linéique de la corde en kg/m, l longueur libre de vibration, f fréquence propre.On peut mesurer la tension d'une courroie en déterminant sa fréquence de vibration avec un fréquencemètreoptique[2].

Mesures de nanoforcesMicroscope à force atomique et guide d'ondeCette méthode permet de mesurer les forces en biologie. On insère un guide d'onde à résonance dans un multicoucheélastique. Si par la force d'adhérence d'une cellule la fibre supérieure du capteur est déformée localement, on peutestimer la force correspondante en mesurant le déplacement du pic de résonance. La résolution est de 20 nN[3].

Dynamomètre 3

ApplicationsLes dynamomètres sont de nos jours utilisés dans de nombreux domaines.

Machines d'essais en traction ou en compression (presse)

Évaluation de la résistance à la rupture en(traction-)cisaillement d'un joint de colle (v=10mm/min). Le capteur de force (interchangeable ;de capacité 10 kN) est fixé sur la traverse mobilede la machine d'essais. Une chambre d'essais est

visible en arrière-plan.

Ces machines sont équipées d'une cellule dynamométrique à jauge dedéformation. Très répandues, elles sont conçues pour fournir aulaboratoire industriel ou scientifique l'analyse des propriétésmécaniques « quasi-instantanées »[4] des matériaux en fonction demultiples paramètres de l'essai (déformation, vitesse de déformation,température, histoire thermique, etc.).Les capteurs de force sont munis d'un câble électrique terminé par unconnecteur et sont rapidement interchangeables (sauf pour les grosmodèles). La fréquence de leur étalonnage est souvent annuelle.Les premières machines étaient reliées à un enregistreur graphique. Lesplus récentes sont connectées via un boîtier-interface à un PC munid'un logiciel. Ce système permet le pilotage, l'acquisition, lavisualisation, l'analyse numérique et graphique, l'exportation defichiers ASCII vers un tableur, la sauvegarde et l'impression desdonnées du test.La traverse supérieure est fixe. La traverse mobile est entraînée pardeux vis latérales, actionnées par un moto-réducteur à courant continu.La liaison entre les vis et le réducteur s'effectue par poulies et courroiesynchrone en élastomère armé.La vitesse de déformation (ou de sollicitation) v est faible (v peutvarier de 0,1 à 500 mm/min ; en pratique v est souvent comprise entre1 et 50 mm/min).Des modèles renforcés (avec notamment bâti mécanique, moteur, transmission et capteur de force adaptés) peuventréaliser des tests mécaniques mettant en jeu des forces élevées[5]. Leur capteur de force peut mesurer plusieurscentaines de kN (en traction, compression, flexion, etc.).Remarque : un bouton d'arrêt d'urgence doit être présent.

Dynamomètre 4

L'utilisation d'attaches auto-serrantes àcoins est recommandée pour certains

essais nécessitant des forces élevées ; celaévite le risque de glissement des

extrémités de l'éprouvette.

Exploitation de l'essai de (traction-)cisaillementpris pour exemple. Le logiciel trace en temps réelune courbe F = f(déplacement de la traverse) dece type (détermination sur trois assemblages)[6].

L'application la plus courante est la mesure de la force à la rupture(force maximale, Fm, obtenue avant d'atteindre la rupture) en tractionafin de savoir si un produit et/ou un montage est conforme ou non. Lesrésistances à la rupture en traction (Rm ou σm) ou au cisaillement (τm)ont la dimension d'une contrainte et sont déduites de la force à larupture ; ces deux résistances sont souvent exprimées en MPa[7].

Par exemple, on peut déterminer la force nécessaire pour séparer unconnecteur d'un câble, la force de fermeture d'une porte, une forced'emboîtage élastique ou évaluer la qualité d'un ressort d'amortisseur.

Remarque : une machine de traction peut être couplée à unextensomètre (de type optique, par exemple) permettantl'enregistrement des courbes contrainte σ = f(déformation ε) deséprouvettes soumises à une sollicitation en traction. Ainsi, il estpossible de caractériser la souplesse du matériau utilisé par la valeur de l'allongement à la rupture A%[8].

Dynamomètre 5

Test de compression d'un cylindre en matériaucomposite au moyen d'une machine équipée d'un

dynamomètre de 300 kN.

Notes et références[1] Pressductor (http:/ / www. abb. com/ product/ ap/ seitp330/

7c2dbedf705e56d1c1257899003180d0. aspx)[2] Mesure de la tension d'une courroie (http:/ / www. contitech. de/ pages/ produkte/

antriebsriemen/ antrieb-industrie/ serviceprogramm_de. html)[3] Thèse de doctorat de Karl-Friedrich Giebel : Wellenleitermikroskopie: eine neue

Methode zur Kraftmessung in biologischen Systemen, Bibliothèque universitaire deConstance, 17 juillet 2003

[4] Les essais de choc font appel à d'autres techniques.[5] C'est le cas par exemple d'éprouvettes en forme d'haltère en métal soumises à une

sollicitation en traction ou d'éprouvettes de géométrie normalisée en béton soumisesà une sollicitation en compression.

[6] Pour un essai de traction ou de cisaillement, la valeur de la résistance mécanique =Fm / S ; avec S = section ou surface, suivant le type d'essai. Le résultat de l'essai derésistance au cisaillement est fortement dépendant de l'épaisseur du joint.

[7] Les essais de pelage et de clivage sont assez peu pratiqués. Les résistances au pelage et au clivage s'expriment en N/m (force à larupture/largeur de l'éprouvette).

[8] De plus, la mesure de la contraction latérale que subit un échantillon lors d'une expérience d'élongation permet d'accéder au coefficient dePoisson d'un corps hookéen.

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