SAWS: Une technologie de pointe

Sensor Technology est une petite société de haute technologie impliquée dans la R&D et la production de transducteurs de mesure de couple rotatifs utilisant la technologie des ondes acoustiques de surface (SAW, Surface Acoustic Wave). Elle est également impliquée dans la concession des licences relatives à cette technologie.

La société à capital privé est la propriété des jumeaux Lonsdale, Anthony et Bryan, et de Tony Ingham. Elle réside depuis 27 ans dans un pittoresque moulin à eau reconverti près de Banbury, en Oxfordshire.

Toute l'histoire de la société est consacrée à l'acquisition et au développement de son expérience en R&D sur mesure, pour ses clients dans le domaine des systèmes de navigation et des magnétomètres et pour les capteurs de couple. En effet, c'est l'association du travail sur un système de navigation et un magnétomètre en 1990 qui a conduit Anthony Lonsdale à rencontrer des difficultés avec les dispositifs SAW qu'il utilisait, à se rendre compte qu'il pouvait transformer ces inconvénients en avantage, et que les SAW pouvaient servir à mesurer des contraintes.

La société a une équipe de 23 personnes travaillant en R&D et en production ; elle est certifiée ISO 9000.

Grâce à son activité, elle possède une grande variété de clients dans la défense, l'aérospatial, les équipes de Formule 1, les universités, les organismes de test, la fabrication de composants et la fabrication en continu.

La stratégie de la société est basée sur l'utilisation de ses brevets associés à la technologie SAW et se recentre sur les couplemètres rotatifs destinés aux marchés de l'instrumentation et du test, par exemple pour des moteurs de test, des boîtes de vitesse et des paliers. Jusqu'ici, l'électronique utilisée pour détecter les SAW était complexe et imposante. L'introduction des nouvelles séries RWT310/RWT320 utilise une stratégie électronique différente et a été conçue pour réduire les coûts et pour l'utilisation par des intégrateurs. Elle offrira à Sensor Technology un avantage unique car elle pourra non seulement offrir un transducteur de base bien accueilli par les intégrateurs mais également un transducteur avancé comportant un certain nombre de caractéristiques configurables par l'utilisateur et plusieurs sorties. La simplicité, la précision et le coût offerts par cette technologie sont inclus dans le nouveau produit qui, selon les espoirs de Sensor Technology, doit profiter à de nombreux nouveaux secteurs tels que ceux des pompes, du mélange et de l'automobile.

SAWs

Les dispositifs à ondes acoustiques ne sont pas nouveaux et sont commercialisés depuis plus de 60 ans. Dans les années 70, ils ont été développés pour les radars à compression d'impulsion, les oscillateurs et les filtres passe-bande pour la télévision domestique et la radio professionnelle. Dans les années 80, l'augmentation du nombre des téléphones mobiles a créé une demande extrêmement importante sur les filtres. L'industrie des télécommunications est la plus grande consommatrice, elle utilise plus de 3 milliards de filtres SAW par an comme filtres passe bande.

En 1885, le scientifique anglais lord Rayleigh a prévu que ces ondes étaient un composant important des tremblements de terre, un fait confirmé bien plus tard dans les années 20 grâce à l'apparition des enregistrements sismographiques.

Environ quarante-cinq ans plus tard, Voltmer et White, de l'université de Californie, ont produit de telles ondes sur la surface libre d'un substrat isotrope et élastique, en fait du quartz, qui sont généralement appelées ondes acoustiques de surface (SAW) ou ondes de Rayleigh.

Une propriété importante des ondes acoustiques de surface est que la vitesse des ondes de Rayleigh est environ 105 fois inférieure à la vitesse du rayonnement électromagnétique dans le vide, ainsi, pour la même fréquence, la longueur d'onde des ondes élastiques est inférieure à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique correspondante par un facteur de 105. Ce résultat a une importance immédiate sur la géométrie de la jauge résultante et c'est la philosophie soutenant la technologie des ondes de surface, puisque les appareils eux-mêmes peuvent être beaucoup plus petits que leurs équivalents électromagnétiques.

Un dispositif SAW de base se compose de deux rangées de transducteurs interdigités (IDT) sur un substrat piézoélectrique tel que le quartz. Les IDT se composent d'électrodes métalliques entrelacées, aisément fabriquées à partir de la technologie standard des circuits intégrés, qui servent à émettre et à recevoir les ondes, de sorte qu'un signal électrique soit converti en onde acoustique et puis à nouveau en un signal électrique. C'est cette application d'un champ électrique qui définit les efforts et les contraintes mécaniques. Réciproquement, si un effort mécanique est appliqué, par exemple en raison d'une contrainte, un champ électrique, et donc un signal, peut être produit.

L'espacement des électrodes métalliques entrelacées détermine la période de l'onde produite. La contrainte modifiera l'espacement des électrodes interdigitées et par conséquent la fréquence de résonance. C'est grâce à cette variation de fréquence que Sensor Technology mesure la contrainte et donc le couple.

Le fonctionnement d'un transducteur SAW pour la mesure des contraintes dépend du choix d'un substrat piézoélectrique approprié, qui peut être fixé à l'objet contraint.

De nombreuses applications utilisant des dispositifs à ondes acoustiques apparaissent. Par exemple, des capteurs de couple et de pression des pneumatiques pour des applications automobiles, des capteurs de couple, de vapeur, d'humidité, de température et de masse pour des applications industrielles. On pense que plusieurs de ces applications naissantes de ces capteurs peuvent par la suite égaler la demande du marché des télécommunications.

Pour appliquer le principe de l'élément SAW à la mesure du couple, deux dispositifs sont utilisés dans un demi pont, semblable à la configuration classique d'évaluation résistive d'une contrainte ; un est disposé pour d'être sensible à la contrainte de compression principale et l'autre est placé pour observer la contrainte de tension principale.

Les deux fréquences produites par les SAW sont mélangées électroniquement pour produire les signaux de différence et/ou de somme. Le signal de différence est une mesure de la contrainte induite due au moment de torsion et par conséquent, la connaissance des propriétés du matériau et des équations qui le régissent permet de mesurer le couple. Le signal de somme est une mesure de la température de l'arbre.

Le raccordement des signaux de et vers l'arbre de la machine se fait via un dispositif d'accouplement électromagnétique, séparé par une distance appropriée, une partie fixée au logement de l'arbre et l'autre fixée à l'arbre tournant permettant l'interrogation sans contact, ce qui est par définition un facteur de sécurité.

Ainsi, bien qu'il soit possible de mesurer le couple au moyen d'autres systèmes, la technologie SAW offre une méthode efficace à prix réduit pour cette tâche.

Développement des SAW

La mesure de couple au moyen de la technologie SAW se compose principalement de trois éléments:

• Les SAW eux-mêmes
• Un couple
• Un ensemble électronique

La société a développé la technologie au cours des 12 dernières années. Durant cette période, elle a accumulé de nombreux brevets relatifs à celle-ci et un savoir-faire considérable.

Nouveau produit

L'introduction des nouveaux RWT310/RWT320 offre un transducteur compact dont l'électronique est intégrée dans le corps. Ceci est possible grâce au développement de la technologie de l'électronique de balayage qui offre les avantages d'une bande passante supérieure.

Le RWT310 sera offert en diverses tailles pour ceux qui souhaitent mesurer un couple de 100mNm à 10 000Nm avec des possibilités supplémentaires grâce à l'option de sorties de 4-20mA ou 0-20mA.

Le produit avancé RWT320 offrira en standard:

• Sortie analogique
• Sortie RS232
• Sortie USB à grande vitesse.
• Intégration de l'échantillonnage de couple crête, de l'enregistrement et de la moyenne.
• Un ensemble de tests d'autodiagnostics.
• Et l'option d'un courant de sortie sélectionnable par l'utilisateur pour activer des sorties 4-20mA ou 0-20mA.