Qu’est-ce qu’une jauge de contrainte ?
Les jauges de contrainte sont des dispositifs qui mesurent la déformation d’un objet. Elles sont également utilisées dans les manomètres et les dynamomètres car elles permettent de mesurer la déformation et de calculer la pression et la charge.
Utilisations des jauges de contrainte
Les jauges de contrainte sont utilisées pour mesurer la déformation dans les produits où la déformation affecte directement la résistance, pour mesurer les charges dans les usines de production et pour mesurer le degré de déformation des moules et d’autres composants. Il faut toutefois veiller à ce que les cages de contrainte soient montées dans le bon sens, sous peine d’erreurs de mesure.
Voici quelques exemples d’utilisation :
- Mesure de la résistance et de la déformation des cartes de circuits imprimés.
- Surveillance et mesure de la charge sur les équipements de presse.
Principe et types de jauges de contrainte
Les principes et les types de jauges de contrainte sont expliqués ci-dessous.
1. Principe des jauges de contrainte
Les cages d’extensométrie sont utilisées en étant attachées à l’objet à mesurer, qui est ensuite soumis à une contrainte avec l’objet et la résistance électrique interne change. La déformation est calculée en mesurant la variation du courant.
2. Types de jauges de contrainte
Il existe une grande variété de types de jauges de contrainte. Les plus utilisées sont les jauges de contrainte à feuille, les jauges de contrainte à fil et les jauges de contrainte à semi-conducteur.
Parmi les autres caractéristiques des jauges de contrainte, l’on peut citer celles qui sont adaptées aux environnements à basse et haute température, celles qui sont capables de mesurer des déformations plus fines et celles qui sont fabriquées dans des matériaux adaptés aux différents matériaux à mesurer.
Structure des cages de contrainte
Les structures des jauges de contrainte à feuille et des jauges de contrainte à semi-conducteur sont décrites ci-dessous, respectivement.
1. Jauges de contrainte à feuille
La structure de la jauge de contrainte à feuille, le type de jauge le plus populaire, consiste en une feuille métallique fixée en zigzag à une base isolante, avec deux fils sortant de la feuille métallique. Ces deux fils sont reliés à un circuit appelé “pont de Hoinston”.
Le circuit en pont de Hoinston est un circuit dans lequel trois résistances de résistance connue et quatre jauges de contrainte sont disposées en pont. La résistance des jauges de contrainte peut être mesurée en mesurant la différence de potentiel entre les centres des résistances.
Lorsque l’objet de mesure auquel les jauges de contrainte sont attachées est déformé, la feuille des jauges de contrainte attachées se dilate ou se contracte et la valeur de la résistance électrique change. L’importance du changement de résistance est déterminée à partir de la différence de potentiel dans le circuit du pont de Hoinston. La jauge de contrainte a un facteur de jauge, une valeur intrinsèque de la quantité de changement de résistance à la déformation. Il est dès lors possible de calculer la déformation de l’objet à mesurer à partir du facteur de jauge et de la quantité de changement de résistance.
2. Jauges de contrainte à semi-conducteur
Les jauges de contrainte à semi-conducteur sont des jauges de contrainte qui utilisent un semi-conducteur dans la partie feuille d’une jauge de contrainte à feuille. Elles utilisent la propriété selon laquelle la résistivité électrique du semi-conducteur change lorsqu’une contrainte agit sur le semi-conducteur.
Autres informations sur les jauges de contrainte
1. Comment utiliser les jauges de contrainte
La précision de la mesure de la déformation à l’aide de jauges de contrainte dépend fortement de la manière dont les jauges sont installées (dans de nombreux cas, de l’adhérence). Il est donc nécessaire d’être très prudent lors de la fixation des jauges de contrainte sur l’objet à mesurer. La première étape consiste à nettoyer la surface de l’objet de mesure sur lequel la jauge doit être fixée.
Il convient d’utiliser un détergent à base d’huile ou un produit similaire pour éliminer complètement l’huile. Sinon, l’huile pénétrera plus profondément dans le matériau lorsque la surface sera poncée ou polie lors de l’application. Après le nettoyage, soulevez la jauge à l’aide d’une pince à épiler et collez-la soigneusement sur la surface à mesurer.
À ce stade, il est important de s’assurer que toutes les bulles d’air entre la surface et la jauge sont expulsées de l’adhésif. Dans cet état, attendez quelques minutes pour que la colle prenne. Après quelques minutes, enveloppez toute la surface avec du ruban isolant pour la protéger contre les dommages à la fin et l’application est terminée.
2. Inconvénients des jauges de contrainte et comment les résoudre
L’avantage des jauges de contrainte est qu’elles peuvent facilement être utilisées pour mesurer la déformation en les collant simplement à l’objet à mesurer. Cependant, dans la pratique, un certain nombre de facteurs complexes entrent en jeu et rendent la mesure plus difficile. Le problème de la contrainte en est un exemple.
La déformation varie en raison de l’interaction entre les forces appliquées de l’extérieur et les contraintes internes du matériau. L’analyse de la déformation dans deux ou trois directions nécessite donc l’utilisation de jauges de contrainte en rosette, une combinaison de plusieurs jauges.
De plus, en fonction du coefficient de dilatation thermique du matériau constituant l’objet de mesure, il est possible de déterminer qu’une déformation s’est produite même si aucune déformation n’est réellement présente. Pour éviter cela, le matériau de la jauge doit être adapté au matériau mesuré.
La mesure de la déformation à l’aide de jauges de contrainte nécessite une bonne compréhension de ces caractéristiques physiques ou mécaniques. Il convient de choisir la jauge la plus appropriée parmi les nombreux types disponibles.
3. Jauges de contrainte et compensation de température
Les principaux facteurs affectant les jauges de contrainte collées à l’objet à mesurer sont la déformation causée par les forces extérieures et l’effet du changement de température. Lorsque des changements de température se produisent, les jauges de contrainte sont affectées par la différence de coefficient de dilatation linéaire entre l’objet à mesurer et les jauges de contrainte, ainsi que par le changement de résistance des jauges de contrainte dû à la température.
La mesure de la déformation comme si elle était causée par un changement de température est appelée déformation apparente. L’utilisation de jauges de contrainte à compensation thermique automatique est la mesure la plus efficace contre la déformation apparente. Les jauges de contrainte à compensation thermique automatique sont des jauges dont le coefficient de température de la résistance est ajusté en fonction de l’objet à mesurer. Cela permet de minimiser la déformation apparente due à la température.
Le meilleur choix consiste à sélectionner les jauges de contrainte adaptées à l’objet à mesurer mais des erreurs peuvent subsister. Dans certains cas, elles présentent des caractéristiques non linéaires. Dans la plupart des cas, cette erreur est indiquée sur la fiche technique de la cage de contrainte. Si des mesures plus précises sont nécessaires, des calculs de compensation peuvent être effectués pour tenir compte de l’erreur calculée à partir de la fiche technique.
4. Jauges de contrainte et compensation du fluage
Le fluage est un phénomène dans lequel la déformation augmente avec le temps lorsqu’une charge constante est appliquée dans certaines conditions de température. Le fluage est l’ennemi naturel des jauges de contrainte, et s’il se produit, il peut conduire directement à des erreurs de mesure.
Les phénomènes de fluage dans les jauges de contrainte sont presque toujours causés par le matériau de base, la forme de la grille et l’adhésif. Par conséquent, une méthode courante consiste à annuler les effets des phénomènes de fluage les uns sur les autres. Il s’agit de se servir d’un générateur de contrainte dans la phase opposée du fluage causé par ces facteurs comme le fluage du matériau et en y attachant la jauge de contrainte.
L’important est la combinaison des matériaux : si les phénomènes de fluage sont en phase opposée mais que leurs valeurs absolues sont très différentes, ils ne peuvent pas être annulés et l’effet se fera sentir dans une direction. Il convient de noter que, selon le matériau, les phénomènes de fluage sont plus prononcés à des températures plus élevées dans la plupart des cas.Plus la contrainte appliquée à la jauge de contrainte est élevée, plus le temps de rupture, ou durée de vie est court, compte tenu de l’augmentation de la déformation due au phénomène de fluage.