Piézoélectrique vs jauge de contrainte

Quelle est la différence entre les capteurs piézoélectriques et les jauges de contrainte ?

Les deux technologies reposent sur le fait que certains matériaux changent leurs propriétés électriques lors de l'application d'une force mécanique. Alors que des charges électriques apparaissent en raison d'une déformation élastique sur les capteurs piézoélectriques, la même situation entraîne une modification de la résistance électrique sur les jauges de contrainte. Les deux techniques de mesure se complètent ; en fonction de l'application, un capteur à jauge de contrainte ou un capteur piézoélectrique est à privilégier. Toutefois, environ 80 pour cent des exigences métrologiques peuvent en principe être satisfaites aussi bien par les capteurs à jauge de contrainte que par les capteurs piézoélectriques.

Avantages des capteurs à jauge de contrainte

• Large gamme d'applications
• Relativement faciles à utiliser
• Atteignent une très grande précision (erreur de mesure inférieure à 0,1 pour cent)
• Aucun souci en matière d'isolation de câble et de déplacement de câble
• Mesure sans dérive même sur de très longues périodes
• Compensation des variations de température par pont de Wheatstone 

Avantages des capteurs piézoélectriques

• Conviennent particulièrement bien à des procédures quasi statiques et dynamiques
• Détection des modifications de charge hautement dynamiques dans une plage allant jusqu'à une milliseconde
• Très large plage de mesure de jusqu'à six décades
• Certains paramètres de mesure tels que la sensibilité, le seuil de réponse et la résolution sont indépendants de la taille du capteur
• Construction très compacte
• Résistants aux températures élevées et basses ainsi qu'à la surcharge
• Peu de fatigue, longue durée de vie, grande stabilité à long terme

Learn more about the piezoelectric effect.

Piezoelectric principle: Capturing electrical charge

The force is applied to a piezoelectric crystal and causes a charge shift at the molecular level and within the lattice structure. This electric charge is captured at the crystal surface and converted into a voltage signal by means of a so-called charge amplifier.

Advantage:

The deformation is extremely small since the charge effect is caused by shifts within the atomic structure. This enables the realization of extremely rigid structures featuring high natural frequencies. This is ideal for capturing very fast or high-frequency measurement events.

Disadvantage:

The electric charge is very volatile. Where there is no perfect isolation, charge is lost over time. This makes long-term stable measurements difficult, especially if you want to measure small forces. Furthermore, a piezoelectric sensor is far more subjected to temperature changes.

The strain gauge principle: Capturing a change in electric resistance induced by elastic deformation

The force is applied to a spring body, which deforms proportionally to the force exerted. This deformation again causes compression or stretching of the attached strain gauges and thus a change in their electrical resistance. By using a simple electrical measuring bridge circuit, a usable voltage signal can be generated.

Advantage:

Measurements are very long-term stable and changes in temperature can be better compensated. Sensors featuring very high accuracy can be realized.

Disadvantage:

The quality of signal acquisition improves with the grade of the strain gauges’ elastic deformation. That means that its structure is rather soft, featuring a low natural frequency, which is inappropriate for faster-measuring events. Due to deformation, material fatigue and overstrain are additional critical aspects of this measurement principle.