Jauge de contrainte
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1. Qu'est-ce qu'une jauge de contrainte ?
Les jauges de contrainte sont un type de résistances variables utilisées pour mesurer les déformations mécaniques.-Plus précisément, la déformation d'un objet. Il fonctionne en mesurant la variation de la résistance électrique d'un matériau lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique. Constitué principalement d'un fil ou d'une feuille métallique appliqué sur un film souple, les contraintes entraînent un étirement du conducteur, ce qui provoque une variation de la résistance électrique. Ce changement de résistance peut être mesuré avec précision à l'aide d'un circuit de pont de Wheatstone.
Si les capteurs à jauges de contrainte sont le "système nerveux" des équipements industriels, les jauges de contrainte sont les "nerfs" des capteurs individuels. Il est essentiel de comprendre ce qu'est une jauge de contrainte, ainsi que ses propriétés et attributs, lorsque l'on travaille avec des capteurs à jauges de contrainte et d'autres systèmes de mesure de la force.
2. Anatomie d'une jauge de contrainte
Les jauges de contrainte sont constituées d'un fil conducteur très fin disposé en grille et collé à la surface d'une feuille de support souple et non conductrice. Lorsque ce support est soumis à une tension, la grille de mesure est également étirée, ce qui entraîne une modification de sa résistance électrique.
Grille de mesure (fil conducteur) : La feuille métallique conductrice est généralement constituée de fil de Constantan (un alliage de cuivre et de nickel) disposé en grille. C'est le composant actif dont la résistance électrique varie en fonction de sa déformation.
Feuille de support (Carrier) : La couche de matériau non conducteur sur laquelle la grille est fixée. Le polyimide est un matériau couramment utilisé en raison de sa durabilité et de sa flexibilité.
Couche de couverture : Une couche protectrice ou un revêtement appliqué sur la grille peut exister sur certaines jauges de contrainte pour aider à protéger la jauge des facteurs environnementaux.
Fils de plomb : Connecté aux extrémités du modèle métallique au niveau des pattes de soudure, il sert de conduit pour les courants électriques en provenance et à destination du réseau.
Marques d'alignement : Marques visibles sur la jauge de contrainte qui aident à son alignement précis lorsqu'elle est appliquée à la surface d'un objet.
Les jauges de contrainte ressemblent à un film très fin et sont généralement très petites - une fraction de la taille d'un timbre-poste. Elles peuvent prendre diverses formes en fonction de la force à mesurer et d'autres facteurs. Malgré leur polyvalence, les jauges de contrainte sont des capteurs délicats, vulnérables à l'exposition environnementale (humidité, dommages physiques, corrosion, etc.). Leur précision et leur fiabilité sont considérablement améliorées lorsqu'elles sont intégrées à la technologie des cellules de charge.
3. Principes de fonctionnement
Les jauges de contrainte sont constituées d'un fil conducteur collé à la surface d'un support souple. Lorsque ce matériau est étiré, le fil conducteur est également étiré, ce qui entraîne une modification de sa résistance électrique.
La relation entre la variation de la résistance (∆R) d'une jauge de contrainte et la déformation (ε) subie par la grille de mesure de la jauge sous l'effet d'une charge appliquée est essentielle pour comprendre le fonctionnement des jauges de contrainte. Cette relation est généralement linéaire dans la limite élastique du matériau, ce qui signifie que la grille conductrice reprend sa forme et sa taille d'origine une fois que la charge est supprimée.
La proportionnalité entre la variation de la résistance et la déformation est définie par la formule suivante facteur de jauge (GF), parfois appelé "facteur k", exprimé comme suit :
Où ?
- (GF) est le facteur de jauge, un nombre sans dimension.
- (∆R) est la variation de la résistance causée par la déformation.
- (R) est la résistance initiale de la jauge de contrainte.
- (ε) est la déformation, définie comme la déformation par unité de longueur ( ε = ∆L / L ), où (∆L) est le changement de longueur et (∆L) la longueur initiale.
En pratique, lorsqu'une charge est appliquée à une structure à laquelle est attachée une jauge de contrainte, la jauge (et son fil conducteur) se déforme. Cette déformation modifie la longueur et la surface de la section transversale du fil conducteur, ce qui modifie sa résistance électrique. Le facteur de jauge (GF) quantifie la sensibilité de la jauge de contrainte à ce changement de résistance induit par la déformation.
Cette relation linéaire entre la variation de la résistance et la déformation est à la base de la fonctionnalité de la jauge de contrainte. La variation de la résistance s'accompagne d'une chute de tension aux bornes de la jauge lorsqu'elle est traversée par un courant constant. Cette variation de tension est proportionnelle à la variation de la résistance (loi d'Ohm : V = IR ), et donc à la déformation. Dans un capteur à jauge de contrainte, cette variation de tension est mesurée, souvent à l'aide d'un pont de Wheatstone pour amplifier le signal et améliorer la précision de la mesure. La tension de sortie du pont fournit une mesure directe et quantifiable de la charge appliquée, basée sur la relation connue encapsulée dans le facteur de jauge (GF).
Le facteur de jauge est crucial pour l'étalonnage des systèmes de jauges de contrainte et l'interprétation de leurs résultats, car il relie directement la contrainte physique sur le matériau au signal électrique mesuré par l'instrumentation.
4. Applications des jauges de contrainte
Les jauges de contrainte sont des capteurs polyvalents que l'on retrouve dans un grand nombre d'applications où la mesure précise de la déformation mécanique est cruciale. De l'industrie aérospatiale, où elles surveillent les contraintes exercées sur les composants des avions, aux projets de génie civil évaluant l'intégrité structurelle des ponts et des bâtiments, les jauges de contrainte fournissent des données essentielles pour la sécurité et l'optimisation de la conception.
Les jauges de contrainte peuvent mesurer efficacement toutes les forces mécaniques qui provoquent une déformation à l'intérieur d'un matériau :
1. La tension : Il s'agit d'une force de traction qui étire le matériau. Les jauges de contrainte peuvent mesurer la tension en détectant l'allongement du matériau, qui provoque une augmentation de la résistance électrique de la jauge.
2. Compression : À l'opposé de la tension, la compression implique une force de poussée qui comprime ou écrase le matériau. Les jauges de contrainte mesurent la compression en détectant une diminution de la longueur du matériau et une diminution associée de la résistance électrique.
3. Couple : Cette force de rotation provoque la torsion d'un matériau. Les jauges de contrainte mesurent la torsion en étant positionnées de telle sorte qu'elles détectent la déformation par cisaillement résultant de l'action de torsion, ce qui modifie la résistance de la jauge.
4. Pliage : Cette force provoque la courbure ou la flexion du matériau. Les jauges de contrainte placées sur la surface d'une poutre de flexion, par exemple, peuvent mesurer les forces de flexion en détectant la déformation par traction sur le côté extérieur de la courbure et la déformation par compression sur le côté intérieur.
5. Cisaillement : Cette force fait glisser les parties d'un matériau l'une sur l'autre. Les jauges de contrainte de cisaillement sont spécialement orientées pour mesurer le changement de résistance dû à cette action de glissement.
5. Jauges de contrainte dans les capteurs de charge
Les jauges de contrainte sont intrinsèquement sensibles aux facteurs environnementaux tels que l'humidité, la corrosion et les dommages physiques, qui peuvent compromettre leur précision et leur longévité. Pour atténuer ces vulnérabilités et améliorer la précision des mesures, les jauges de contrainte sont encapsulées dans des cellules de charge et configurées dans des circuits de pont de Wheatstone. Cela permet non seulement de les protéger des dommages environnementaux, mais aussi de tirer parti 1) de la capacité du circuit de pont à compenser les fluctuations de température et le bruit électrique, ce qui garantit des mesures précises et stables, et 2) de la capacité de l'élément métallique à rejeter les charges appliquées non désirées.
Dans les cellules de charge, les jauges de contrainte sont méticuleusement intégrées pour capturer les moindres déformations causées par les charges appliquées, convertissant les forces mécaniques en signaux électriques. Les jauges sont collées avec précision à l'élément de la cellule de charge. Cet élément est conçu pour se déformer sous l'effet de la charge, et la déformation est mesurée avec précision par les jauges de contrainte. Les performances des jauges de contrainte dépendent essentiellement du soin méticuleux et de la précision apportés au processus de fabrication, qui est similaire à bien des égards à la fabrication des semi-conducteurs.
Pour amplifier et mesurer avec précision les petites variations de résistance des jauges de contrainte, les capteurs de pesage utilisent souvent des circuits à pont de Wheatstone. Cet arrangement améliore la sensibilité et la précision des mesures, ce qui en fait un sujet essentiel à explorer plus en détail dans notre article consacré aux circuits à pont de Wheatstone.
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