La nouvelle technologie innovante LoadSensor
8 mars 2023
Adapté aux besoins de l'industrie
Rendre les produits intelligents
Les capteurs sont l'un des éléments clés de l'internet des objets (IdO) : les informations qu'ils fournissent sont essentielles pour rendre les produits plus intelligents. En particulier sur le marché industriel, il est essentiel de concevoir des capteurs sur mesure, en fonction des exigences spécifiques du client. La technologie LoadSensor de Angst+Pfister Sensors and Power et Angst+Pfister en est un excellent exemple.
Les variables mesurées par un capteur dépendent des applications et des différentes technologies. La gamme de capteurs disponibles sur le marché est tout aussi vaste et diversifiée. Les capteurs utilisés dans les applications grand public sont généralement très différents des capteurs utilisés dans les applications industrielles. Le marché grand public est dominé par les grands fabricants de capteurs. Pour nous, le secteur industriel est beaucoup plus intéressant : il offre de nombreuses niches intéressantes dans lesquelles les bons capteurs restent généralement dans un seul modèle pendant plusieurs années. L'ensemble du marché des capteurs représente des centaines de milliards d'euros et croît de 5 à 10 % chaque année. Cependant, il est également inhomogène et segmenté, car il existe des centaines de variables de mesure et d'innombrables applications.
Capteurs pour la mesure de la force
La force est l'une des variables physiques les plus importantes et les plus courantes. En principe, chaque capteur de force peut également être utilisé pour mesurer le poids. Le poids peut être calculé à partir de la force et de la gravité.
Il convient toutefois de noter que la force et la gravité sont des vecteurs. Cela signifie que les angles doivent également être pris en compte. Dans la pratique, cela pose un problème pour de nombreuses applications. Si la charge n'est pas transmise à 100% verticalement au capteur, la mesure en sera affectée. On peut illustrer ce phénomène avec un pèse-personne : si vous déplacez votre poids sur la balance, la valeur mesurée change - un effet que nous avons probablement tous observé. Si l'on veut déterminer avec précision un poids ou une masse, il faut également tenir compte des relations vectorielles. Cela semble évident, mais ce n'est pas toujours facile dans la pratique, et l'exécution nécessite souvent un travail de conception important.
L'une des technologies de capteurs analysables électroniquement les plus courantes et les plus anciennes
La jauge de contrainte, développée en 1938, est basée sur une résistance électrique qui change de valeur lorsqu'elle est étirée ou comprimée. Grâce à ce principe simple et à sa production rentable, la jauge de contrainte s'est imposée dans le commerce et est aujourd'hui l'un des capteurs les plus couramment utilisés. Néanmoins, d'autres principes ont été établis pour la mesure de la charge en plus de la jauge de contrainte. L'un des principaux inconvénients de la jauge de contrainte est la relation vectorielle susmentionnée. Selon l'application, s'assurer que la charge à mesurer est correctement "redirigée" pour aboutir à une expansion de la résistance peut impliquer un travail de conception très complexe. Dans le cas des pèse-personnes, par exemple, c'est très simple. Cela se reflète dans le prix d'un pèse-personne grand public, en particulier si la haute précision n'est pas un critère essentiel. Les pèse-personnes de haute précision sont généralement basés sur d'autres principes, tels qu'une boucle de contrôle inductive. La plupart des systèmes de pesage de haute précision de la célèbre société américaine ayant son siège en Suisse reposent sur ce principe. Dans d'autres applications, où la réorientation de la charge n'est pas aussi facile à mettre en œuvre, les coûts de fabrication de la construction mécanique dépassent souvent largement le coût du capteur proprement dit. D'autres principes de mesure sont alors nécessaires, car les coûts de production des modèles complexes ne peuvent généralement être réduits que dans une mesure limitée, même pour des volumes élevés.
Moins de pièces mécaniques, c'est moins de coûts
Le bon vieux magnétoscope en est un bon exemple quotidien. Malgré des millions d'unités vendues, il était pratiquement impossible de trouver un appareil à moins de 100 USD dans les magasins au plus fort de la popularité du magnétoscope. Lorsque les lecteurs de DVD sont apparus sur le marché, leur prix n'a pas tardé à chuter à moins de 50 USD. Cela s'explique par le fait que ces appareils comportent beaucoup moins de composants mécaniques. Cela illustre clairement l'avantage des solutions électroniques : elles peuvent toujours être produites à moindre coût ou rendues plus efficaces au fil du temps. La raison principale en est la loi de Moore (les transistors doublent tous les un à deux ans). Cette loi ne peut pas être appliquée à la mécanique, mais elle explique brillamment le développement rapide de l'électronique au cours des dernières décennies. En d'autres termes, les capteurs dont la mécanique est la plus simple possible ont le meilleur potentiel pour des coûts de production faibles. Si les concepts simples présentent de nombreux avantages, ils ont aussi un inconvénient : ils sont généralement relativement faciles à copier. Toutefois, dans le domaine de la technologie des capteurs, l'imitabilité doit être relativisée. Les connaissances essentielles résident dans les algorithmes de compensation, les propriétés des matériaux et le processus de production et d'étalonnage. Néanmoins, la question de l'imitabilité doit être prise en compte comme pour tout développement de produit. Le principe de la mesure capacitive est très simple sur le plan conceptuel, mais il exige des compétences spécifiques de la part des développeurs.
Capteurs capacitifs : une technologie d'avenir
Des charges sont appliquées à deux couches conductrices. Cela réduit la distance - et plus la distance est faible, plus la capacité est élevée. Ce principe de mesure est connu depuis de nombreuses années. Cependant, jusqu'à présent, la technologie des capteurs capacitifs a été assez limitée, en particulier par rapport à la technologie des capteurs résistifs. En effet, par rapport à un simple circuit de pont résistif, l'électronique pour la mesure d'une capacité était beaucoup plus complexe, imprécise ou coûteuse. Cette situation a changé ces dernières années. Grâce au développement des écrans tactiles dans les produits de consommation courante, cette technologie a évolué rapidement. L'heure est venue de disposer de capteurs capacitifs précis et d'un prix attractif. Il faut maintenant se poser la question : quels sont les composants clés d'un tel capteur ? Le premier composant est le matériau situé entre les deux électrodes (plaques du condensateur). Ce matériau constitue à la fois l'élément élastique et le diélectrique. D'autres composants importants sont les algorithmes de compensation de la température, de l'humidité, des non-linéarités, du vieillissement et d'autres effets indésirables. Moins les propriétés du matériau changent sous l'effet des conditions environnementales, plus la compensation est facile et efficace.
Une collaboration interne pour des solutions innovantes
Grâce à une configuration qui combine l'expertise technologique des capteurs Angst+Pfister Sensors et Power et l'expertise des matériaux Angst+Pfister, les connaissances spécialisées de toutes les disciplines ont été intégrées dans le développement du capteur de charge Angst+Pfister Sensors et Power LoadSensor. Cette expertise est notamment combinée pour l'élastomère, qui constitue l'élément élastique/diélectrique susmentionné. Le regroupement de connaissances spécifiques complètes au sein d'une seule entreprise est sans doute unique. En effet, la plupart des entreprises de capteurs possèdent des connaissances approfondies dans le domaine de l'électronique et des matériaux typiques utilisés dans les capteurs, tels que le silicium, la céramique et souvent l'acier inoxydable. En revanche, les connaissances dans le domaine des élastomères sont insuffisantes. Inversement, les entreprises qui s'occupent des matériaux et des élastomères manquent d'expertise dans les domaines de l'électronique interne et de la technologie des capteurs.
Ici, les deux sont réunis sous un même toit. Cet arrangement nous a permis de développer le capteur capacitif LoadSensor en très peu de temps - il garantit également la poursuite du développement de cette technologie dans les années à venir. Sous l'impulsion des principaux clients de Angst+Pfister Sensors and Power, le capteur est d'ores et déjà optimisé et produit pour des applications individuelles spécifiques à chaque client.
Conclusion
D'autres applications du LoadSensor sont certainement attendues. Il est essentiel que les principaux avantages apportent une réelle valeur ajoutée au client : ils bénéficient de la faible épaisseur, du "montage intégré", de la conception spécifique au client et, surtout, du prix attractif en grandes quantités - contrairement aux solutions traditionnelles avec des jauges de contrainte ou des cellules de charge. Le nombre d'applications de ce type n'est pas encore connu. Le marché des capteurs est énorme et la tendance dans le domaine de l'IdO connaîtra une croissance prononcée au cours des prochaines années. Cela donnera certainement naissance à d'innombrables nouvelles applications que nous ne pouvons même pas imaginer aujourd'hui. L'avenir nous les dévoilera.
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