Les jauges de contraintes sont des capteurs résistifs permettant de quantifier la déformation appliquée sur une structure. Ces capteurs sont souvent utilisés dans l'industrie car ils sont peu coûteux et facile à mettre en place. (Pencil Drawn Strain Gauges and Chemiresistors on Paper Cheng-Wei Lin, Zhibo Zhao, Jaemyung Kim & Jiaxing Huang Department of Materials Science and Engineering, Northwestern University 2220 Campus Drive, Evanston, IL, 60208, USA). La mesure de résistance de ce type de crayon nécessite une amplification nous avons donc créé un Shield Arduino pour le traitement du signal et son affichage.

• Un shield arduino permettant le conditionnement des mesures du capteur graphite, leur traitement et leur affichage.
• Une code arduino permettant le choix du gain de l'amplificateur, la communication en bleutooth via un module HC 05 et l'affichage des mesure sur un écran OLED.
• Une datasheet du capteur de contrainte low-tech

• 1 carte Arduino Uno
• 1 Module Bluetooth HC-05
• 1 Encodeur rotatoire
• 1 Écran OLED01
• 1 Flex sensor
• 1 Potentiomètre digital MCP-41050
• 1 AOP LTC1050

Un circuit de transimpédance est utilisé pour elever le faible signal du capteur (100nA) à un signal lisible pour le microcontroleur de l'Arduino.

Différents étages de filtres passes-bas permettent de couper les hautes fréquences et le 50 Hz et ainsi diminuer le bruit sur la mesure.

• Fréquence de coupure de l'étage 1 : 16 Hz
• Fréquence de coupure de l'étage 2 : 1.6 Hz
• Fréquence de coupure de l'étage 3 : 1.6 kHz

La simulation permet de verifier qu'à 50 Hz le signal est atténué de -40 dB, le bruit du secteur seras alors grandement diminié et ne perturberas pas la mesure.

Le PCB inclu l'amplificateur de transimpédance et différents modules permettant l'affichage ou le traitment des données. En partant d’un template d’une carte Arduino Uno, il a fallu :

• Reproduire la schématique du circuit transimpédance et créer de nouveaux symboles pour les modules spécifiques à notre projet.
• Concevoir les empreintes réelles de ces modules en prenant en compte leurs caractéristiques physiques (nombres de pins, distance entre les pins, géométrie des empreintes…)
• Effectuer le routage du circuit à partir du chevelu
• Poser le plan de masse pour référencer les pistes au GND

Module Bluetooth HC 05 : ce module permet la communication des données vers une application androide. L'implemantation d'un échange entre une application et le microcontrolleur permet le stockage de donnée que l'arduino ne permettrais pas. Il permet aussi d'avoir une vue d'ensemble sur les mesures que le petit écran ne permttrais pas.

L'écran OLED : permet l'affichage des mesures et la selection du gain de l'amplificateur.

L'encodeur rotatoire : permet la navigation dans les menus. Le debouncing de l'encodeur a été réalisé en ajoutant des capacités sur les pins.

L'amplificateur de transimpédance avec le capteur graphite.

La résistance variable digitale MCP41050 : elle permet de changer la résistance R2 de l'amplificateur pour changer le gain.

Le shield est réalisé sur des plaques d'époxy recouvertes d'une couche de cuivre. Une résine photosensible est appliquée sur la plaque avec par dessus, le calque du circuit. Le tout est ensuit placé sous lumière UV pour faire polymeriser la résine au endroits non protégé par le calque. La plque d'époxy est ensuite plongé dans du perchlorure de fer pour retirer la couche de cuivre qui n'est pas protégé par la résine, faisant ainsi apparaître les circuits.

L'étape suivante est de percer les trous pour faire passer les pins de la carte et les composants. Une fois les trous percés, on soude les composants et les headers à la plaque.

Le code a été réalisé sous Arduino IDE 2.3.2 et il est consultable ici.

On utilise la bibliothèque Adafruit_SSD1306 pour gérer l'écran OLED sur lequel on affiche deux sous-menus. Le premier permet d'afficher la tension après amplification du capteur graphite, la conversion de cette tension en une valeur de résistance et enfin la résistance du capteur de flexion. Le second permet de moduler la résistance du MCP_41050. Pour naviguer entre les menus et moduler cette résistance, on utilise l'encodeur rotatoire et on clique sur le bouton pour valider ou revenir au menu précédent. Les mesures sont ensuite transférées à l'application Android via le module bluetooth.

Le petit écran OLED ne permet pas d'afficher un graph et la petite mémoire de l'arduino ne permet pas de conserver les mesures. Le rôle de l'application android est de pouvoir faciliter l'affichage et le stockage des valeures de déformation. Pour utiliser l'appliication il faut, dans un premier temps, appairer le telephone au module Bleutooth grâce au menu déroulant de l'app (ne pas oublier d'autoriser l'application à utiliser le bluetooth). Si le télephone est connecté, l'application recevras les données en continu et les reporteras sur le graphique déroulant. En parrallèle, l'application envoi aussi toutes les mesures sur une page google sheets pour le stockage.

Comme banc de test, nous avons utilisé 7 demi cylindres de différents diamètres allant de 2 à 5 cm avec un pas de 0,5 cm. La géométrie des cylindres est connue, il est possbile de remonter à la défromation avec la formule suivante :

$$\epsilon = \frac{e}{2r}$$

avec e l’épaisseur du capteur et r le rayon de courbure. Les mesures sont réalisées en tension.

2 des différents capteurs utilisés :

Suite aux mesures de résistance nous obtenons les courbes suivantes. Pour l'extension :

Pour la compression :

La fiche technique est consultable ici.