Étalonnage des capteurs de force : méthode, classes et intervalles

Ce que vérifie l'étalonnage d'un capteur de force

Un étalonnage applique des forces connues au dispositif de mesure de force et enregistre le signal pour chacune. Le dispositif peut être le capteur seul, le capteur avec son amplificateur ou la chaîne complète jusqu'à l'afficheur. Le DKD-R 3-3 les traite comme trois objets d'étalonnage différents (3.1), car le certificat d'un capteur étalonné sans son amplificateur ne s'applique directement qu'avec un amplificateur identique (chapitre 8).

Le résultat dépend de ce qui a été étalonné. Un appareil avec son propre afficheur reçoit une erreur d'indication en unités de force. Un capteur seul reçoit un coefficient de transmission, par exemple en mV/V par newton (DKD-R 3-3, chapitre 7). Le même essai montre aussi la répétabilité des relevés, l'écart entre forces croissantes et décroissantes, la dérive sous force constante et le retour à zéro du capteur.

Comparer ces résultats à une limite et enregistrer un résultat conforme ou non conforme est une vérification par rapport à une spécification. Un certificat peut porter à la fois les valeurs mesurées et cette déclaration.

• Étalonnage ou vérification

Les normes : ISO 376, ASTM E74, OIML R 60 et DKD-R 3-3

L'ISO 376:2011 est la norme internationale pour les instruments de mesure de force utilisés pour vérifier les machines d'essai uniaxial. Elle s'applique aux instruments qui déterminent la force à partir de la déformation élastique d'un élément chargé et définit leur mode de classement. L'ISO indique que l'édition 2011, édition 4, est en vigueur.

L'ASTM E74-18(2026) est la pratique américaine pour l'étalonnage des instruments de mesure de force utilisés pour vérifier les machines d'essai. La plupart des laboratoires de force américains y travaillent, et le NIST indique que c'est aussi son cas. Le manuel d'accréditation NVLAP du NIST (HB 150-2e2024, D.1.2) impose aux laboratoires de force de suivre l'ASTM E74, l'ISO 376 ou les deux.

Le DKD-R 3-3 est la directive d'étalonnage du service d'étalonnage allemand, publiée par la PTB. L'édition 03/2024, révision 1, est gratuite. Elle couvre les appareils qui mesurent la force par déformation élastique et que l'on peut charger en montée et en descente, avec quatre séquences d'étalonnage graduées selon l'effort. La plus complète s'appuie sur l'ISO 376. Elle ne définit plus de classes propres.

L'OIML R 60-1:2021 est la recommandation de métrologie légale pour les cellules de pesée utilisées dans les instruments de pesage. Elle fixe les classes d'exactitude et les limites d'erreur qu'une conception doit respecter pour son approbation de modèle. Ce n'est donc pas une procédure d'étalonnage courante.

Le guide d'étalonnage n° 4 d'EURAMET, version 3.0 (2022), traite de l'incertitude dans l'ISO 376 et les autres étalonnages de force. Le Guide to the Measurement of Force, écrit par le NPL et l'Institute of Measurement and Control et réédité en 2025, est une référence pratique gratuite.

Ce que signifient les classes de l'ISO 376

L'ISO 376 classe un instrument de mesure de force en classe 00, 0,5, 1 ou 2, la classe 00 étant la meilleure. La classe repose sur plusieurs grandeurs mesurées prises ensemble, dont la reproductibilité, la répétabilité, l'interpolation, l'erreur de zéro et le fluage ou la réversibilité. Pour tenir une classe, un instrument doit satisfaire à tous les critères de cette classe.

L'analyse peut suivre deux voies (guide EURAMET n° 4, 6.1). Un instrument classé pour l'interpolation peut être utilisé partout sur son étendue, la force étant calculée à partir d'une équation ajustée. Un instrument classé pour des forces spécifiques ne peut être utilisé qu'aux forces d'étalonnage. Vérifiez ce que dit votre certificat avant de lire le capteur entre deux points d'étalonnage.

EURAMET calcule le pire cas pour un instrument qui respecte tout juste une classe. Le tableau montre les limites qui sont derrière ce chiffre et le résultat, hors contribution de la température. Un instrument réel peut faire mieux que cette limite.

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Plages de charge de l'ASTM E74 : Class AA et Class A

L'ASTM E74 fonctionne autrement. Elle ajuste une équation d'étalonnage sur les données et calcule un facteur de limite basse, ou LLF, estimation statistique de l'erreur sur les forces déduites de cette équation. Le guide EURAMET (6.2) présente les deux plages de charge normalisées : la Class AA commence à 2 000 fois le LLF et la Class A à 400 fois le LLF.

Pour un capteur dont le LLF vaut 2 N, la plage Class A commence à 800 N et la plage Class AA à 4 000 N. Les forces en dessous de cette limite basse sortent de la plage de charge de cette classe.

Poids morts ou comparaison : choisir la référence

Une machine à poids morts suspend des masses connues dans le champ de pesanteur terrestre. La force vaut F = Mg(1 - ρa/ρw), où M est la masse vraie, g l'accélération locale de la pesanteur, ρa et ρw les masses volumiques de l'air et des poids (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.1.6). Un étalon primaire selon l'ASTM E74 n'a ni levier, ni multiplicateur hydraulique, ni contrepoids entre les poids et l'instrument (D.1.4.1.2).

Un étalonnage par comparaison place le capteur en série avec un ou plusieurs capteurs de force de référence et les charge ensemble, en général dans une machine d'essai ou un cadre de comparaison. C'est plus rapide et cela atteint des forces hors de portée d'un empilement de poids morts, avec une incertitude plus élevée. La référence doit avoir son propre étalonnage en cours de validité. Le NIST utilise des machines à poids morts jusqu'à 4,45 MN, la plus grande des six, et la comparaison au-delà.

La référence doit-elle être bien meilleure? Le Guide to the Measurement of Force (7.5.1) suggère une incertitude de la machine d'étalonnage trois fois meilleure que l'exactitude exigée du système. L'ISO 376 va plus loin et lie chaque classe à une incertitude maximale de la force appliquée, indiquée dans le tableau des classes ci-dessus.

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• Étalonnage à l'interne ou à l'externe

Mise en place : toute la chaîne, température, précharges et alignement

Étalonnez toute la chaîne quand c'est possible. Le Guide to the Measurement of Force (7.5.1) conseille d'utiliser les mêmes câbles, instruments et alimentations qu'en service. Si le laboratoire utilise son propre indicateur, le certificat doit le préciser, et c'est au propriétaire d'assurer l'interchangeabilité (DKD-R 3-3, chapitre 5).

Laissez l'ensemble atteindre l'équilibre thermique. Le DKD-R 3-3 (chapitre 4) suit l'ISO 376 : une température stable à ±1 K quelque part entre 18 °C et 28 °C, avec 19 °C à 23 °C recommandés en Allemagne. Le manuel NVLAP du NIST recommande 23 °C (D.1.3.2). Laissez la chaîne sous tension jusqu'à sa stabilisation, puis lisez le signal de zéro du capteur non chargé dans une position définie. Un changement depuis le dernier étalonnage peut révéler une surcharge (chapitre 5).

Étalonnez chaque sens de force séparément. Après chaque montage ou changement de sens, préchargez à la force maximale pendant au moins 1 minute et lisez le zéro environ 30 secondes après que le capteur a été totalement déchargé. Le DKD-R 3-3 demande trois précharges si le capteur est conçu pour la traction et la compression, et deux s'il travaille dans un seul sens ou si le propriétaire peut indiquer le sens de sa dernière utilisation (chapitre 5).

Chargez le capteur dans son axe et avec les pièces de fixation utilisées en service. Les pièces de montage font partie de l'objet d'étalonnage et doivent suivre l'annexe A de l'ISO 376 ou reproduire les conditions d'utilisation (DKD-R 3-3, 3.3). Le NIST place l'alignement précis de l'axe du capteur en premier parmi ses procédures de base d'étalonnage de force.

Paliers de force : combien et dans quel ordre

Répartissez les paliers de force de façon régulière sur l'étendue. Le DKD-R 3-3 (chapitre 5) demande au moins 3 paliers par série, zéro non compté, ou au moins 5 si l'on veut une équation du troisième degré, par exemple 20, 40, 60, 80 et 100 %. Attendez le même temps à chaque palier, au moins 30 secondes, et ne lisez pas avant 30 secondes après le début du changement de force. Enregistrez le signal sans charge avant et après chaque série.

L'ISO 376 est la méthode la plus complète. Le guide EURAMET (6.1) fonde un classement pour l'interpolation sur au moins 32 valeurs de déviation, soit quatre séries croissantes de huit paliers de force. Son exemple de l'annexe A utilise 10 paliers et six séries, avec l'instrument à 0°, 120° et 240°.

Moins de séries, cela signifie s'appuyer davantage sur d'autres connaissances, comme un étalonnage ISO 376 antérieur ou la fiche technique (DKD-R 3-3, chapitre 5). Le DKD-R 3-3 précise que les séquences réduites ne peuvent pas donner une incertitude plus faible que la procédure complète sur le même objet (chapitre 1). Abordez chaque force dans le même sens et laissez-la se stabiliser. Si vous dépassez un palier, revenez en arrière au-delà puis approchez-le à nouveau (Guide to the Measurement of Force, 7.5.2).

• Feuille avant/après ajustage avec points d'essai sur l'étendue

Hystérésis, fluage et retour à zéro

L'hystérésis est la différence de signal entre force croissante et force décroissante, à force égale. Elle est en général la plus grande vers le milieu de l'étendue (Guide to the Measurement of Force, 3.5). L'ISO 376 appelle cette grandeur réversibilité. Un capteur utilisé uniquement en force croissante n'a pas besoin de terme de réversibilité dans son incertitude, mais un capteur qui mesure en descente en a besoin (guide EURAMET n° 4, 7.1).

Le fluage est la variation du signal dans le temps après un échelon de force. Les fabricants indiquent en général la plus grande variation sur un temps donné après un passage de zéro à la force nominale, par exemple 0,03 % du signal nominal sur 30 minutes. Le fluage de retour est le même effet après le retrait de la force (Guide to the Measurement of Force, 3.5). La mesure de fluage d'EURAMET pour l'ISO 376 est la variation du signal entre 30 secondes et 300 secondes après l'application ou le retrait de la force maximale, rapportée à la déviation à force maximale.

Le retour à zéro compare le signal sans charge avant et après l'application d'une force. L'ISO 376 l'exprime comme une erreur de zéro, la différence entre ces lectures rapportée à la déviation à force maximale (guide EURAMET n° 4, 6.1). Comparez-la aux étalonnages précédents. Selon le NVLAP, une surcharge qui modifie le signal à force nulle de 1 % ou plus impose un réétalonnage avant toute nouvelle utilisation (HB 150-2e2024, D.1.4.4.2).

• L'OIML R 60-1:2021 limite le fluage des cellules de pesée : sur un essai de 30 minutes à charge maximale, la variation ne peut dépasser 0,7 fois l'erreur maximale tolérée pour cette charge (5.5.1).
• La variation entre 20 et 30 minutes ne peut dépasser 0,15 fois cette erreur (5.5.1).
• Le signal à charge minimale doit revenir à moins de 0,5 v de sa valeur initiale après l'essai de fluage, v étant l'échelon de vérification de la cellule (5.5.2).

Les cellules de pesée dans les balances : classes de l'OIML R 60

L'OIML R 60-1:2021 classe les cellules de pesée des instruments de pesage en quatre classes d'exactitude, A, B, C et D, selon le nombre d'échelons de vérification qu'elles peuvent comporter (5.1.1, 5.1.2). La désignation courante associe la classe et ce nombre en milliers : C3 signifie classe C avec 3 000 échelons.

Les limites d'erreur s'expriment en échelons de vérification et s'élargissent avec la charge. Selon le tableau 4, une cellule de classe C peut s'écarter de 0,5 v jusqu'à une charge de 500 v, de 1,0 v jusqu'à 2 000 v et de 1,5 v jusqu'à 10 000 v, chaque valeur multipliée par un facteur de répartition de 0,7 sauf autre valeur déclarée par le fabricant. Ces limites comprennent l'hystérésis et s'appliquent donc à la montée comme à la descente (5.3).

L'OIML R 60 approuve la conception d'une cellule. Une fois dans une balance, c'est la balance entière qu'on étalonne ou qu'on vérifie avec des masses d'essai.

• Étalonnage des balances

Sur la machine ou sur le banc

Le Guide to the Measurement of Force (7.4) décrit trois options. La préférée pour une faible incertitude garde le capteur installé en permanence et le compare à intervalles réguliers à un étalon de transfert placé en série. Un capteur démontable peut aller en laboratoire, ce qui donne un étalonnage exact du capteur mais ignore les effets de l'installation, comme les frottements, les rapports de levier et l'alignement.

La troisième option, un capteur installé en permanence sans étalonnage périodique, repose sur une grande marge au départ. Un étalonnage par shunt périodique et le contrôle d'un ou plusieurs points, dont le zéro, donnent une certaine confiance, mais toute revendication de traçabilité doit tenir compte de l'incertitude de l'étalonnage par shunt.

Un laboratoire offre des conditions de référence stables. L'étalonnage in situ se choisit pour la commodité ou le coût, ou pour étalonner dans les conditions exactes d'utilisation (7.5.1). Dans tous les cas, reproduisez au mieux les conditions d'appui de l'application.

Relevés avant ajustage, ajustage et capteur de force hors tolérance

L'étalonnage et l'ajustage sont deux opérations distinctes. Convenez d'abord si l'appareil peut être ajusté et demandez les résultats avant ajustage comme après ajustage, car le Guide to the Measurement of Force (7.5.1) avertit que les données avant ajustage peuvent être essentielles pour la traçabilité du procédé.

Si un résultat avant ajustage sort de sa limite, le capteur a été hors tolérance pendant une partie inconnue du temps écoulé depuis son dernier étalonnage satisfaisant. Le paragraphe 7.1.5.2 de l'ISO 9001 attend de vous que vous repreniez ce qu'il a mesuré et que vous traitiez tout ce qui peut être faux. Pour un capteur de force, regardez les machines d'essai vérifiées avec lui, les résultats d'essai qu'elles ont produits et toute pesée ou décision sur un produit fondée sur ses mesures.

• Que faire quand un instrument échoue à l'étalonnage
• Relevés avant ajustage et après ajustage

À quelle fréquence étalonner un capteur de force

L'ISO 376:2011 admet jusqu'à 26 mois une fois la stabilité démontrée. L'ASTM E74-18 limite l'intervalle à 24 mois, avec des critères de stabilité de 0,032 % pour la Class AA et de 0,16 % pour la Class A, comme l'exposent des métrologues de la force du National Institute of Standards (NIS) d'Égypte dans un article de 2026 sur la validité des mesures de force. Ce sont des plafonds, pas des objectifs.

Le Guide to the Measurement of Force (7.5.1) conseille de partir de la spécification de stabilité à long terme du fabricant. Allongez la période si plusieurs étalonnages ne montrent aucun changement notable de sensibilité, raccourcissez-la s'ils montrent un changement important. Une manipulation brutale, un usage fréquent ou long et l'environnement peuvent justifier un intervalle plus court, et le choix revient à l'utilisateur.

Réétalonnez plus tôt, quelle que soit la date, après une réparation ou une modification pouvant changer la courbe d'étalonnage et après une surcharge qui décale le signal à force nulle de 1 % ou plus (NIST HB 150-2e2024, D.1.4.4). Entre deux étalonnages, le Guide suggère des contrôles périodiques du zéro et d'un point bien défini. Consignez la raison de tout changement d'intervalle. L'ILAC-G24:2022 / OIML D 10:2022 liste les facteurs à prendre en compte, dont la dérive et la sévérité d'utilisation (5.1).

• Comment établir les intervalles d'étalonnage
• Vérifications intermédiaires entre deux étalonnages
• Calculateur d'intervalle d'étalonnage
• Calculateur de taux de dérive et d'intervalle d'étalonnage

Ce que doivent montrer le certificat et l'enregistrement

Un certificat d'étalonnage de force suit le paragraphe 7.8 de l'ISO/IEC 17025:2017 et ajoute un contenu propre à la force, listé au chapitre 8 du DKD-R 3-3 et en D.1.6 du NVLAP HB 150-2e2024. Conservez les mêmes informations pour un étalonnage à l'interne, afin que quelqu'un d'autre puisse le refaire.

• L'identité du capteur ou de la chaîne, et les pièces d'introduction de force utilisées.
• La norme ou la séquence suivie, par exemple l'ISO 376 ou la séquence B du DKD-R 3-3, et la source de toute contribution tirée de connaissances préalables.
• La machine d'étalonnage de force utilisée et son incertitude.
• Le sens de la force et la température, avec ses limites pendant l'étalonnage.
• La tension d'alimentation, le câblage (4 fils ou 6 fils), la longueur de câble et les réglages de l'amplificateur.
• Les forces appliquées, les déviations, l'équation ajustée et ses écarts, et l'incertitude.
• Le signal de zéro du capteur non chargé.
• Quand une classe ou une déclaration de conformité est donnée, la règle utilisée et l'origine des limites.
• Les résultats avant ajustage et après ajustage, la date, la personne qui a fait le travail et la prochaine échéance.

• Gabarit de certificat d'étalonnage (Excel)
• Exigences du certificat d'étalonnage

La place d'Axiospec

Axiospec est un logiciel de gestion des étalonnages. Il conserve chaque capteur de force avec son historique d'étalonnage, ses certificats et sa prochaine échéance, et chaque étalonnage indique l'étalon de référence utilisé. Un enregistrement d'étalonnage accepte jusqu'à 100 points d'essai. Chaque point a sa valeur nominale, sa tolérance sous forme de bande absolue, de pourcentage de la valeur nominale ou de pourcentage de l'étendue de mesure, son sens de lecture, montant ou descendant, et ses relevés avant ajustage et après ajustage. Le certificat produit par Axiospec reprend ces points.

Pour un étalonnage à l'interne, une indication finale hors de sa tolérance fait passer le résultat à Non conforme, et enregistrer malgré tout un résultat conforme exige un motif écrit. Un Non conforme met le capteur en quarantaine. Un Non conforme, ou un résultat conforme dont un relevé avant ajustage est hors tolérance, vous demande de noter ce que le capteur a mesuré depuis son dernier étalonnage satisfaisant, et tout impact non encore rédigé apparaît dans À traiter. Axiospec n'effectue pas l'étalonnage, n'ajuste pas la courbe et ne choisit ni la classe ni l'intervalle. Ces décisions restent les vôtres ou celles de votre laboratoire.

Le forfait gratuit couvre jusqu'à 50 instruments actifs. Un nouvel espace de travail démarre avec un essai de 45 jours de Professional, avec de la place pour 1 500 instruments actifs et sans carte bancaire. Nous chargeons vos enregistrements existants pour vous, sans frais, quel que soit le forfait.

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