Dans l’industrie, la mesure d’efforts, de vibrations ou de mouvements repose traditionnellement sur des capteurs installés séparément du composant mécanique. Cette architecture nécessite des supports, des interfaces mécaniques et souvent des protections spécifiques, ce qui complexifie l’intégration et peut introduire des erreurs de mesure.
Les sensing materials proposent une approche différente : la fonction de capteur est intégrée directement dans le matériau lui-même. Dans cette configuration, le matériau structurel devient également un élément de mesure capable de détecter des paramètres mécaniques et dynamiques.
Mesure d’effort par déformation du matériau
La technologie repose sur un élastomère intégrant une cellule de mesure entièrement vulcanisée. Lorsque le matériau est soumis à une charge, sa déformation modifie la géométrie interne de la structure capteur. Cette modification entraîne une variation d’un paramètre du champ électrique interne, convertie en signal électrique proportionnel à la force appliquée.
Le capteur utilise une architecture multicouche permettant de transformer ces variations mécaniques en un signal mesurable. Contrairement aux capteurs ponctuels classiques, cette approche permet de mesurer des charges réparties sur toute la surface du matériau. Cette caractéristique offre une grande flexibilité de conception, notamment pour les composants de faible hauteur ou les applications nécessitant une intégration discrète.
Capteurs inertiels intégrés
Le matériau capteur peut également intégrer des capteurs inertiels. Un accéléromètre permet de détecter les accélérations linéaires et d’identifier les vibrations, oscillations ou chocs subis par le système.
En option, un gyroscope peut être ajouté afin de mesurer les vitesses angulaires. La combinaison de ces deux capteurs permet de caractériser l’état inertiel complet du matériau, incluant les inclinaisons, rotations ou vibrations à haute fréquence.
Cette association de capteurs permet ainsi d’analyser simultanément les efforts mécaniques et les sollicitations dynamiques appliquées à un composant.
Intégration vulcanisée dans l’élastomère
Un élément déterminant de cette technologie est l’intégration complète des capteurs dans l’élastomère lors du processus de vulcanisation. La cellule de mesure, les capteurs inertiels et l’électronique associée sont encapsulés dans la matrice élastomère, formant une structure monolithique étanche.
Cette encapsulation offre plusieurs avantages :
• protection contre l’humidité et les contaminants
• absence de conducteurs ou capteurs exposés
• amortissement mécanique naturel grâce à l’élastomère
Le matériau agit ainsi à la fois comme composant mécanique et comme système de protection pour l’électronique intégrée. Cette configuration améliore la stabilité à long terme et réduit les risques liés à la corrosion, à l’usure ou à la contamination.
La connexion aux systèmes d’analyse peut être réalisée via un câble ou un connecteur intégré, permettant d’atteindre des indices de protection élevés. Les données issues des capteurs de force, d’accélération et de rotation sont ensuite traitées et transmises via une interface numérique standard, facilitant l’intégration dans les systèmes de contrôle industriels.
Applications industrielles
Les matériaux capteurs peuvent être configurés pour différentes géométries, plages de mesure et duretés d’élastomère, ce qui permet d’adapter précisément le système aux contraintes d’une application.
Parmi les cas d’usage possibles :
• mesure de charge dans les véhicules industriels ou agricoles
• éléments amortisseurs instrumentés capables de détecter les vibrations
• composants mécaniques intégrant directement la fonction de mesure
Dans ces applications, le matériau assure simultanément une fonction structurelle, une fonction d’amortissement et une fonction de capteur.
Cette approche ouvre ainsi la voie à des systèmes de mesure plus compacts, robustes et facilement intégrables dans les architectures industrielles.
Article original par Robin Ellinger, Chef de Produit, Angst + Pfister Sensors and Power
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